2014 Fiscal Year Annual Research Report
不凍タンパク質の機能は吸着氷界面の方位で異なる－氷結晶成長の促進と抑制機構の解明
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26287095
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
古川 義純 北海道大学, 低温科学研究所, 特任教授 (20113623)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐崎 元 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60261509)
長嶋 剣 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (60436079)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 氷結晶 / 不凍タンパク質 / 結晶成長 / 界面吸着 / 固液界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
不凍（糖）タンパク質(Antifreeze Glycoprotein(AFGP)、またはAntifreeze protein (AFP))を含む過冷却水中での氷結晶の自由成長実験を行うための成長装置の開発を行った。自由成長では、隣接して複数の結晶が存在すると、拡散場を通じて互いに影響を与えるため成長形や速度成長の正確な測定が困難になる。このため、成長セル中心部に1個の結晶を独立して生成することが鍵であるが、ガラス毛細管内での結晶成長により結晶粒の選択と方位制御によりこれを実現している。また、成長速度の高精度測定を可能にするには、氷結晶と水界面からの光反射による干渉縞の生成が不可欠である。しかし、この界面での光反射率は0.00014しかないので、干渉縞を取得するには特別な光学系の設計が必要である。反射光と参照光の強度を揃えるために、円偏光を活用する新たな方法を本年度に開発した。予備的な実験では、氷のベーサル面で十分なコントラストのある干渉縞画像を得ることに成功した。実際の観察光学系の作製は次年度早々に実施する。
上記の高精度測定システムの開発と並行して、従来型のマッハツエンダー干渉計を使った氷結晶成長速度の予備測定実験も実施した。成長速度の連続的な測定はできないが、過冷却度や不凍タンパク質濃度に依存する成長速度の変化の推定は可能である。本年度は、AFPタイプIIIを試料として使って測定を行ない、プリズム面の成長速度の過冷却度と濃度依存性を明らかにした。
また、面方位による成長速度の異方性を説明するための数理モデルを構築するため、連携研究者とともに議論を開始し、特にベーサル面の成長促進機構について考察を行った。プリズム面とベーサル面では、不凍タンパク質の吸着様式が異なることが予測されるが、詳細につては次年度以降の課題である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度は、実験システムの構築が最も重要な目的であったが、氷結晶と水の界面からの反射光が 極めて微弱（ガラス表面での反射強度の1/500程度）であるため、干渉縞の発生機構の新規開発に時間がかかった。年度内に問題点は解決されたが、実験観察のためのシステムの構築が間に合わず次年度早々に実施することとなった。
その他の計画については、順調に進んでいる。さらに、この研究課題に関連するテーマで国際会議の招待講演を3件得るなど、国内外からも注目されている。
このため、”やや遅れている”と判定した。
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| Strategy for Future Research Activity |
新年度早々に、氷結晶と水の界面からの微弱な反射光による干渉観察が可能な光学系システムを構築する。これにより、氷結晶の成長速度の高精度測定（分解能100nm以下）が可能となる。特に、AFPタイプIIIを試料として、成長速度の時間変動を測定する。これにより、AFPタイプIIIの添加により、ベーサル面の成長速度が実際に促進されることを確認する。通常、不純物分子は成長界面に吸着して成長を抑制すると考えられているが、促進が確認されれば全く新しい発見となる。
また、分担研究者の佐崎により開発された共焦点微分干渉顕微鏡を用いると、成長中の氷結晶と水の界面の微細構造の観察が可能であることも確認されている。固液界面の微細構造の観察は、従来ほとんど例が無く、本実験の遂行で界面に関する画期的な成果が期待できる。この実験をさらに推進するために、次年度から新たに研究分担者１名を追加する予定である。
連携研究者の協力のもとに、氷結晶と水の成長界面への不凍タンパク質分子の異方的吸着特性に関するモデルの構築を目指す。
研究成果は、国内外の会議で講演発表を行うとともに、学術論文として公開に努める。
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| Causes of Carryover |
位相差干渉顕微鏡の改修作業を行う予定であったが、極めて反射率の低い氷結晶界面に装置を適用するための光学系の設計に手間取ったため、年度内に終了できなかった。次年度にこの作業を予定している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
すでに、位相差干渉顕微鏡の改修のための設計作業を開始しており、新年度早々に改修作業が実施できる見通しとなっている。約3カ月の基幹で作業を終了する予定である。
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