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次世代の材料応用へ向けたタンパク質結晶の転位論に基づく解析

研究課題

研究課題/領域番号 19K23579
研究種目

研究活動スタート支援

配分区分基金
審査区分 0401:材料工学、化学工学およびその関連分野
研究機関横浜市立大学

研究代表者

鈴木 凌  横浜市立大学, 理学部, 助教 (70846708)

研究期間 (年度) 2019-08-30 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワードタンパク質結晶 / 力学的性質 / 転位 / X線回折 / インデンテーション / 圧縮試験 / グルコースイソメラーゼ結晶 / 高品質タンパク質結晶 / X線トポグラフィ / 格子欠陥 / 力学特性
研究開始時の研究の概要

タンパク質結晶は巨大で複雑なタンパク質分子から構成された結晶性材料であり、分子サイズに伴った巨大な結晶格子を有している。結晶内に最大70%もの多量の水を含むというこれまでの結晶材料にはない特徴がある。そして、結晶水を他の物質と置換できることから、次世代の結晶性多孔質生体材料として注目されている。しかし、もろく壊れやすい弱点があり実用化には至っていない。弱点克服が望まれる一方、結晶欠陥が多く、高品質な結晶を得ることが困難なため、転位の挙動やその運動などの力学的な性質に関する知見は非常に少ない。本研究では高品質化に成功したグルコースイソメラーゼ結晶を用いて、タンパク質結晶の力学特性を明らかにする。

研究成果の概要

タンパク質結晶の応用へ向けた力学的性質に関する基礎的な研究を行った。具体的には、大きく分けて①巨視的な変形試験によるタンパク質結晶の力学的性質の評価と②放射光Ⅹ線トポグラフィによるタンパク質結晶の欠陥観察法の構築および回折理論に基づいた緻密な完全性評価を行った。①では、最大5ミリメートルにも及ぶ巨大な結晶の変形試験により、ヤング率や破壊応力などの見積もりに成功した。②では、X線CCDカメラを使用したデジタルトポグラフ法によって撮影した数百枚の一連の回折像を画像解析により、欠陥像の取得が難しい結晶であっても転位などの結晶欠陥の観察を可能とする方法(Median Image法)の構築に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

学術的意義としては、脆く壊れやすいと定性的な認知で収まっていたタンパク質結晶の力学的性質をヤング率や破壊応力、ひずみ量などの値から定量的な評価まで落とし込めたことにある。また、その変形機構は転位の運動による塑性変形に支配されていることから、本研究で得られた知見を基にその変形の制御を行うことで、高強度化法に期待できる。さらには、海洋問題をはじめとして現在課題となっているプラスチックのような人工高分子の代替素材として、自然由来のタンパク質結晶の工学的な利用は持続可能な社会に重要である。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Identification of grown-in dislocations in protein crystals by digital X-ray topography2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Suzuki, Marina Abe, Kenichi Kojima, Masaru Tachibana
    • 雑誌名

      J. Appl. Cryst.

      巻: 54 号: 1 ページ: 163-168

    • DOI

      10.1107/s1600576720015356

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of slip systems in protein crystals with a triclinic form using a phenomenological macro-bond method2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Suzuki, Chika Shigemoto, Marina Abe, Kenichi Kojima, Masaru Tachibana
    • 雑誌名

      CrystEngComm

      巻: - 号: 20 ページ: 3753-3760

    • DOI

      10.1039/d1ce00241d

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of crystal quality of thin protein crystals based on the dynamical theory of X-ray diffraction2020

    • 著者名/発表者名
      Marina Abe, Ryo Suzuki, Kenichi Kojima, Masaru Tachibana
    • 雑誌名

      IUCrJ

      巻: 7 号: 4 ページ: 761-766

    • DOI

      10.1107/s2052252520007393

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improvement of Hen Egg White lysozyme Crystal Quality by Control of Dehydration Process2019

    • 著者名/発表者名
      Haruhiko Koizumi, Satoshi Uda, Katsuo Tsukamoto, Kenji Hanada, Ryo Suzuki, Masaru Tachibana, Kenichi Kojima
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 19 号: 10 ページ: 5955-5960

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.9b01084

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] X線トポグラフィによるタンパク質結晶の干渉縞の解析に基づく完全性評価2020

    • 著者名/発表者名
      阿部満理奈, 鈴木凌, 小島謙一, 橘勝
    • 学会等名
      第49回結晶成長国内会議
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 共焦点ラマン分光法によるタンパク質結晶中の水の拡散係数の測定2020

    • 著者名/発表者名
      松下沙緒梨, 阿部満理奈, 鈴木凌, 小島謙一, 橘勝
    • 学会等名
      第49回結晶成長国内会議
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 放射光トポグラフィによるタンパク質結晶の干渉縞の解析に基づく完全性評価2020

    • 著者名/発表者名
      阿部満理奈, 鈴木凌, 小島謙一, 橘勝
    • 学会等名
      令和2年度 日本結晶学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ラマン分光法を用いたタンパク質結晶中の水の拡散係数の測定2020

    • 著者名/発表者名
      松下沙緒梨, 阿部満理奈, 鈴木凌, 小島謙一, 橘勝
    • 学会等名
      令和2年度 日本結晶学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質結晶のX線による照射損傷2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木 凌, 熊坂 崇, 馬場 清喜, 水野 伸宏, 長谷川 和也, 小島 謙一, 橘 勝
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] タンパク質結晶のX線照射損傷の観察2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木 凌, 熊坂 崇, 馬場 清喜, 水野 伸宏, 長谷川 和也, 小泉 晴比古, 小島 謙一, 橘 勝
    • 学会等名
      第48回結晶成長国内会議(JCCG-48)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Observation of dynamical diffraction in high-quality protein crystals2019

    • 著者名/発表者名
      Ryo Suzuki, Haruhiko Koizumi, Keiichi Hirano, Takashi Kumasaka, Kenichi Kojima, Masaru Tachibana
    • 学会等名
      16th Conference of the Asian Crystallographic Association
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-09-03   更新日: 2022-01-27  

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