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水和による水の不均一性から生物機能を理解する

公募研究

研究領域水圏機能材料:環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
研究課題/領域番号 22H04566
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

今清水 正彦  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (90465930)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード水和 / サブテラヘルツ / 不均一性 / 誘電緩和 / 誘電分光
研究開始時の研究の概要

タンパク質などの生体高分子が高正確に働く仕組みを物理化学的に説明するためには、生体高分子と水の相互作用を深く理解する必要がある。タンパク質表面の水和水は特徴的な水素結合ネットワークを形成し、空間的・時間的に不均一な運動を行う。これらの運動は、水と生体高分子材料が一体化した集団運動であり、その主な成分は、室温ではサブテラヘルツ周波数領域に観測される。本研究では、この集団運動を、サブテラヘルツ波で励起し、その非熱的な応答を分光的に調べる。

研究実績の概要

常温におけるタンパク質水溶液には、サブテラヘルツ(sub-THz)周波数領域に、水和による特徴的な水素結合ネットワークを反映する複数の水の運動モードや、タンパク質の集団振動モードが現れ、それらの運動は相互作用すると考えられている。本研究では、タンパク質水溶液に対して、外場としてsub-THz波を照射し、これらの運動モードを励起し、その外場による水和構造の経時変化を通常の伝熱加熱による温度上昇による変化と比較した。この観測のため、試料の底部からsub-THz波を照射しながら、タンパク質水溶液のマイクロ波帯の誘電緩和を経時的かつ高感度に測定を行うシステムを開発した。この方法では、探索マイクロ波を同軸プローブの先端から試料に浸透させ、反射した電磁波の情報を検出して試料誘電率の変化を評価した。一般的な同軸プローブを用いた誘電緩和測定は試料長が十分長いことが前提となるが、本研究では、sub-THz波照射の影響を観測するために、sub-THz波がタンパク質水溶液に侵入する深さ程度まで試料長を短くする必要があった。しかし、この短い試料長のために一般的な測定を妨げる多重反射が起きる。本研究では、多重反射の信号が、試料の誘電率を反映して変化する現象に着目し、多重反射をあえて利用することでsub-THz波照射による試料のわずかな誘電率変化を鋭敏に検出できることを見出した。この観測の妥当性をTHz分光法とNMR分光法で検証した。その結果、通常は長い時間を要する粉末タンパク質(疎水性の高い領域を含む)のミクロ・メゾスケールにおける再水和過程が、sub-THz波の照射によって大幅に加速された。同様の再水和過程の加速は通常の伝熱加熱では起こらなかったことから、sub-THz波照射による非熱的な作用が強く示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Nonthermal acceleration of protein hydration by sub-terahertz irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Jun-ichi、Tokunaga Yuji、Hishida Mafumi、Tanaka Masahito、Takeuchi Koh、Satoh Daisuke、Imashimizu Masahiko
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 2825-2825

    • DOI

      10.1038/s41467-023-38462-0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Nonthermal acceleration of protein hydration by sub-terahertz irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      今清水正彦
    • 学会等名
      Bioelectrodynamics webinar series (Online)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 水和による水の不均一性から生物機能を理解する2023

    • 著者名/発表者名
      今清水正彦
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nonthermal Effect of Sub-THz Irradiation on Protein Hydration: Study Based on Dielectric Relaxation Measurements2023

    • 著者名/発表者名
      今清水正彦, 杉山順一, 田中真人
    • 学会等名
      第61回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] サブテラヘルツ波照射によるタンパク質水和の非熱的促進2022

    • 著者名/発表者名
      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
    • 学会等名
      日本分析化学会第71回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水溶液へのサブテラヘルツ波照射作用2022

    • 著者名/発表者名
      今清水 正彦、河野誠、杉山 順一、小川 博嗣、田中 真人
    • 学会等名
      日本分析化学会第71回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Nonthermal acceleration of protein hydration by sub-terahertz irradiation: Analysis of dielectric relaxation measurements2022

    • 著者名/発表者名
      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
    • 学会等名
      日本生物物理学会第60回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] テラバイオロジー:遺伝子型への変異の代わりに水素結合網へのTHz照射を摂動として用いる2022

    • 著者名/発表者名
      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] サブテラヘルツ波が水とタンパク質のミクロな混合を加速

    • URL

      https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2023/pr20230522_2/pr20230522_2.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] サブテラヘルツ波が水とタンパク質のミクロな混合を加速

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/cmb5/ja/topics/topics03.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 液体の水素結合構造変化の検出方法及び検出装置2023

    • 発明者名
      今清水正彦, 杉山順一, 田中真人
    • 権利者名
      国立研究開発法人産業技術総合研究所
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-138356
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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