2014 Fiscal Year Research-status Report
デジタル放射光トポグラフによるタンパク質結晶の塑性と脆性の研究
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25420694
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| Research Institution | Yokohama Soei University |
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Principal Investigator |
小島 謙一 横浜創英大学, 教育学部, 教授 (90046095)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
若生 啓 横浜創英大学, 教育学部, 講師 (40515839)
橘 勝 横浜市立大学, その他の研究科, 教授 (80236546)
小泉 晴比古 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (10451626)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 結晶の強度 / 転位 / タンパク質結晶 / 放射光トポグラフ / タンパク質結晶の弾性 / タンパク質結晶の塑性 / 力学的性質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的であるタンパク質結晶を実用材料として使う上で、重要な力学的性質について概要を報告する。一般にタンパク質結晶はプラスチックのように柔らかく、容易に延伸するものと考えられている。しかし実際のタンパク質結晶は弾性定数は低いが、塑性的には脆い性質を有する。そこで、タンパク質結晶の力学的強度を改善するために、グルタルアルデヒドによる化学的な架橋とゲル成長によるゲル組織による結晶の強化について、モデルタンパク質結晶のリゾチウム結晶の結果を報告する。また、応力下での放射光X線トポグラフによるその場観察も行ったので報告をする。
純粋な正方晶リゾチウム結晶(Pure-T-Lz)とグルタルアルデヒドで架橋した正方晶リゾチウム結晶(G-T-Lz)の、微小領域の堅さを測定するマイクロ・ビッカース硬さ（微小硬さ）測定と結晶全体を変形する巨視的な変形がインストロン型試験機によって行われた。その結果、微小硬さは架橋することのより、強度は増加する。また、圧縮試験を行うとPure-T-Lz結晶は弾性領域で脆性破壊を示すが、G-T-Lz結晶は弾性変形の後、塑性変形しそのあと延性破壊を示した。このように架橋することによって強度が改善される。同様な現象はゲル成長によって得られた正方晶リゾチウム結晶（Gel-T-Lz）においても得られた。
パルス的に応力を加えたPure-T-Lz結晶の放射光X線デジタルトポグラフによる、塑性変形のその場観察を行う装置の開発を行った。その結果、応力を加えて、デジタルトポグラフによる半値幅の結晶全体のマッピングを作ることに成功した。これにより荷重下での結晶の完全性の評価をその場で評価できることになった。
タンパク質結晶の分子間力のシミュレーションに関しては現象論的な分子間ポテンシャルの構築を行った。しかし、パラメータの複雑さによっていくつかの問題点が生じている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究目的の達成度については実験に関しては新しい知見が得られ、放射光X線トポグラフの実験も順調に進展している。ただし、放射光施設（KEK)でのマシンタイムにより、荷重をかけながらトポグラフを連続的に観察する装置の完成まで至らなかった。その理由としては、架橋したタンパク質結晶やゲル成長によって得られた結晶の強度は増加し、タンパク質結晶の強度を改善し、脆性破壊から延性破壊への遷移させる方法が見つかったことである。また、荷重を加えながら放射光X線デジタルトポグラフを解析する装置もほぼ完成し、さらに精度を上げるところまで進んでいる。このような観点から実験の分野では予想以上に順調に進んでいると判断した。一方、計算機シミュレーションによる分子間力の解析の研究は、現象論的なポテンシャルをきめるためのパラメータの選択を行っているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度は塑性と脆性の問題について新しい知見を得た。それは、タンパク質分子間を架橋することやゲル成長によりゲル組織を結晶内に取り込むことによって強度が上がること、また、脆性が改善され脆性破壊から延性破壊に遷移することが分かった。これらの結果を放射光X線トポグラフによって応力下でその場観察を行い、転位の運動や増殖のメカニズムや脆性破壊から延性破壊に遷移のメカニズムを解明し、タンパク質結晶の実用材料としての可能性を明確にする。また、タンパク質分子間力の計算機シミュレーションに関しては原子間どうしのパラメータの調整を試みる。
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| Causes of Carryover |
平成26年度に予定していた放射光施設（KEK)でのマシンタイムが十分に取れなかったためその場でインデンテーションしながら放射光トポグラフを連続的にとる荷重装置の実験が十分にできなかったので、実験装置の一部の作成に遅れが発生した。そのために実験装置（インデンテーションの圧子）の設計と発注が遅れたために約50万円の翌年度への繰越金が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度は放射光施設（KEK)でのマシンタイムの確保と荷重装置のインデンテーションの圧子の部分の設計と作製を行い、最終実験を行う。
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