Analysis of chitin fiber assembling mechanism in beetle elytra toward development and application of structural materials

Research Project

Project/Area Number	19K22248
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	新垣篤史東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10367154)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000) Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords	タンパク質 / キチン / 甲虫 / 構造材料 / 自己組織化
Outline of Research at the Start	甲虫の上翅は、外敵から柔らかい組織を保護するための防御機能を有する他、飛翔の際のバランサーの役割を果たしており、軽量さと頑丈さを併せ持つ材料として、航空機、ロボット等の産業分野において注目を集めている。本研究では、甲虫上翅の機械特性の向上に関わるドラスティックな表皮構造形成の分子機構の解明と、その機構を利用したキチン繊維の配向制御プロセスの開発を行う。
Outline of Annual Research Achievements	甲虫の上翅は、外敵から柔らかい組織を保護するための防御機能を有する他、飛翔の際のバランサーの役割を果たしており、軽量さと頑丈さを併せ持つ材料として、航空機、ロボット等の産業分野において注目を集めている。本研究では、甲虫上翅の機械特性の向上に関わるドラスティックな表皮構造変化の分子機構の解明を目的としている。本年度は、甲虫の上翅の構造と成分解析を行った。羽化直後の硬化前と、羽化から日数の経過した硬化後の上翅に着目し、経時的な比較解析を行った。１．上翅の構造変化の解析と成分分析羽化後の成虫から上翅を切除し、電子顕微鏡により表皮のミクロ構造を解析した。羽化直後からの時間経過に伴い、硬化前の2層構造が分離し、上翅内に大きな空洞の形成が観察された。また硬化後においては、表皮内に束状のキチン繊維の形成が確認された。上翅表皮の成分解析を行ったところ、主にキチン、タンパク質、脂質から構成されることが明らかになった。一方、無機物の含量は微量であった。２．上翅からのタンパク質の分離と同定硬化前と硬化後の上翅に含まれるタンパク質を可溶化し、タンパク質電気泳動を行った。その結果、時間経過に伴い含量が減少するタンパク質バンドと増加するタンパク質バンドの存在が確認された。含量が減少したタンパク質については、キチン繊維との架橋により抽出できなくなったことが考えられ、今後詳細を検討する予定である。それぞれのバンドに含まれるタンパク質をLC/TOF-MSにより解析した結果、複数のキチン結合タンパク質が同定された。これらの中には、特徴的なアミノ酸配列が存在することを明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初計画通り、硬化前と硬化後の表皮に含まれるタンパク質を同定することができた。当初の研究目的に向けて、おおむね計画通り順調に進展していると考えている。
Strategy for Future Research Activity	本年度は、前年度に同定されたタンパク質のリコンビナントを調製し、機能解析を行う。１．タンパク質のキチン結合能の評価２．溶液中でのキチン／タンパク質複合体形成