真珠バイオミネラリゼーション分子機構に基づく機能性融合ナノマテリアルの創製

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Fusion Materials: Creative Development of Materials and Exploration of Their Function through Molecular Control
• Project/Area Number: 25107703
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小川 智久 東北大学, 生命科学研究科, 准教授 (80240901)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: マトリックスタンパク質 / バイオミネラル / リン酸化 / 融合マテリアル / 希土類蛍光性錯体 / 蛍光 / 真珠

Research Abstract

生物が創り出すバイオミネラルのもつ巧妙な構造・機能を明らかにし、その特徴を利用することができれば、新規の機能性ナノ材料を創り出すことが期待できる。これまでマベ真珠アラゴナイト結晶形成（配向性制御）に関わる外套膜分泌タンパク質の構造と機能を明らかにしてきた。これまでの成果に基づいて、平成25年度は，真珠マトリックスタンパク質のリン酸化構造を明らかにするとともに，マトリックスタンパク質多層膜に炭酸カルシウム以外の有用無機分子も導入し、バイオミネラルを超える新規融合マテリアルの調製・特性を検討した。
マベ真珠アラゴナイト層をEDTAにより脱灰したマトリックスタンパク質多層膜を調製し， 2D-PAGEおよびProQ Diamondによる染色（リン酸化の有無）で解析した。その結果，マトリックスタンパク質は部分的にリン酸化されていることが判明した。このマトリックスタンパク質層についてDMSOおよび水からエタノール(EtOH)へと溶媒を置換すると膜間厚さが変化し，EtOH濃度依存的に減少し，厚さを制御できることが判明した。
今回は，さらにマトリックスタンパク質多層膜中に希土類蛍光性Eu錯体を導入した新規融合マテリアルを調製し，その発光特性を解析した。興味深いことに，多層膜中に取り込まれたEu錯体は，特異的に配向していることがわかり，その発光特性は結晶配向性のよい真珠と悪い真珠，さらにリン酸化の有無により違いがみられ, リン酸化されたマトリックスタンパク質とEu錯体との特異的相互作用によるものであることが示唆された。
さらにDMSOとEtOH中で発光特性が異なり，膜間の厚さにより蛍光の発光特性が異なることが示唆された。このように真珠マトリックス多層膜タンパク質-Eu錯体は，配向や膜間厚さによる蛍光発光特性が制御可能なユニークな特徴をもつことがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定したチタニアとの融合マテリアルの調製が遅れているが，代わりに希土類蛍光性錯体と真珠マトリックスタンパク質との融合マテリアルに関して，興味深い特性が明らかになり進展した。

Strategy for Future Research Activity

希土類蛍光性錯体と真珠マトリックスタンパク質との融合マテリアルについて、構造を明らかにしていくと同時に，発光特性の違いを利用してセンサー材料などへ展開する。一方、チタニアと真珠マトリックスタンパク質の融合マテリアルについては、早急にすすめる。

Research Products

• [Journal Article] Effects of Food Lectins on the Transport System of Human Intestinal Caco-2 Cell Monolayers (2013)
  • Author(s): Yamamoto, S., Tomiyama, M., Nemoto, R., Naganuma, T., Ogawa, T., Muramoto, K.
  • Journal Title: Biosci. Biotech. Biochem. Volume: 77 Pages: 1917-1924
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhamnose-binding lectins induce respiratory burst activity in macrophage cells from rainbow trout. (2013)
  • Author(s): Watanabe, Y., Chang, Y.-H. Nakamura, O., Naganuma, T., Ogawa, T., Muramoto, K
  • Journal Title: Fisheries Sci Volume: 79 Pages: 513-519
  • DOI: 10.1007/s12562-013-0624-7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 真珠層をマトリックスとしたユウロピウム錯体複合材料の発光挙動 (2014)
  • Author(s): 山田智咲, 小川智久, 長谷川美貴
  • Organizer: 日本化学会第９４春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] マベ真珠貝の足糸線維構造を制御するTIMP様タンパク質の構造と機能 (2014)
  • Author(s): 青木 大，佐伯友理，永沼孝子，村本光二，小川智久
  • Organizer: 日本化学会第９４春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] Biomineralization of Pteria penguin pearl shell nacre regulated by matrix proteins homologous to the Jacalin-related lectin via sugar binding ability and phospholization (2013)
  • Author(s): T. Ogawa, T. Naganuma, S. Sakaue, K. Liu, S. Sato, K. Muramoto, M. Osada, K. Yoshimi
  • Organizer: 12th International Symposium on Biomineralization (Biomin 12)
  • Place of Presentation: Freiberg, Saxony, Germany
  • Year and Date: 20130827-20130830
• [Book] Chapter 44: Tracing Ancestral Specificity of Lectins: Ancestral Sequence Reconstruction Method as a New Approach in Protein Engineering. In: Lectin Methods and Protocols Part4, Method in Molecular Biology, (Ed. by Hirabayashi, J.) (2014)
  • Author(s): Ogawa, T. and Shirai, T.
  • Total Pages: 印刷中
  • Publisher: Humana Press
• [Book] Experimental molecular archeology: reconstruction of ancestral mutants and evolutionary history of proteins as a new approach in protein engineering. In: Protein Engineering -Technology and Application (Ed. by T. Ogawa) (2013)
  • Author(s): Ogawa, T. and Shirai, T.
  • Total Pages: 187 (pp.111-131)
  • Publisher: InTech