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2017 年度 実施状況報告書

ウルトラファインバブルの構造特性評価による生体効果の分子機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 16K13722
研究機関群馬大学

研究代表者

平井 光博  群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (00189820)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードタンパク質 / 脂質膜 / ウルトラファインバブル / x線散乱 / 中性子散乱 / 糖 / 水和
研究実績の概要

[研究の目的] 微細微小気泡の応用分野は,電子産業分野,洗浄分野,医療・薬品分野,健康分野,農業・水産分野,食品・飲料分野など極めて広範囲に及んでいる。最近,長期間安定な浮遊状態を保てる大きさが100nm以下のウルトラファインバブルが作成可能となり,既に,電子産業分野の剥離装置や農業分野の水耕栽培に応用されている。しかし,ウルトラファインバブルの産業利用が先行する一方,その物理化学的な性質や生成・消滅機構,存在状態の構造動態などに関する実験的研究や理論的解明は遅れており,本格的な産業応用にはウルトラファインバブルの基礎物性研究や生体物質を含む各種物質との相互作用等に関する研究の進展が鍵を握っている。
[これまでの研究成果と経緯] 研究代表者の放射光X線・中性子散乱法を適用したタンパク質や脂質膜などの多数の研究をベースとして研究を推進している。ウルトラファインバブルの生体物質への効果の基本は,生体物質界面(水和層)とバブル界面との相互作用が重要であるとの観点から,特に,細胞保存液などに使用される濃厚糖溶液や,濃厚高分子溶液中でのタンパク質や脂質膜の構造安定性と水和状態に注目して実験を実施した。
【具体的な研究成果】
●食品科学,経皮系薬剤等に使用されている非荷電性合成高分子を含有した溶液中でのタンパク質の構造を解析した結果,タンパク質界面からの高分子の選択的は排除が起こると同時に,高分子の排除体積効果,水和状態の変化が起こり,熱安定性が低下することを見出した(学術論文に発表済み)。ウルトラファインバブル溶液中で同様の現象起きるのか現在検討中である。
●細胞保存液に使用されている糖類を含有した状態での安定性に関して現在検討中である。糖類のみの水溶液中では,タンパク質の熱安定性が水和状態の保護作用を通じて起きていることを明らかにすることができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ウルトラファインバブルの生体物質への効果は,生体物質界面(水和層)とバブル界面との相互作用が重要であると考えている。現在,細胞保存液などに使用される濃厚糖溶液や,濃厚高分子溶液中でのタンパク質や脂質膜の構造を中心に検討行ってきており,概ね順調に研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

[今後の推進の方策」
バブル自体の安定性の検討がやや遅れているが,バブルと他の共存分子存在下での安定性に関する構造学的研究を重点的に進める予定です。測定条件の設定等は過去2年間の研究でほぼ確立できている。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (8件)

  • [雑誌論文] Macromolecular crowding effect on protein structure and hydration clarified by using X-ray and neutron scattering2018

    • 著者名/発表者名
      Hirai Mitsuhiro、Ajito Satoshi、Sugiyama Masaaki、Iwase Hiroki、Takata Shin-ichi、Shimizu Nobutaka、Igarashi Noriyuki、Martel Anne、Porcar Lionel
    • 雑誌名

      Physica B: Condensed Matter

      巻: 551 ページ: 212~217

    • DOI

      10.1016/j.physb.2018.02.020

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Protective action of trehalose and glucose on protein hydration shell clarified by using X-ray and neutron scattering2018

    • 著者名/発表者名
      Ajito Satoshi、Hirai Mitsuhiro、Iwase Hiroki、Shimizu Nobutaka、Igarashi Noriyuki、Ohta Noboru
    • 雑誌名

      Physica B: Condensed Matter

      巻: 551 ページ: 249~255

    • DOI

      10.1016/j.physb.2018.03.040

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of ultra-fine bubble water on the structure of protein and lipid membrane2017

    • 著者名/発表者名
      M. Hirai, S. Ajito, K. Takahashi, K. Tomita, Y. Maezawa
    • 雑誌名

      Photon Factory Activity Report

      巻: 34 ページ: 37-37

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structure and solvation of protein under molecular crowding environment2017

    • 著者名/発表者名
      M. Hirai
    • 雑誌名

      MLF Experimental Report

      巻: 2016B ページ: 2016B0003

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Study of protein structure and its stability, unfolding and refolding processes in concentrated sugar solutions2017

    • 著者名/発表者名
      M. Hirai, S. Ajito, K. Takahashi, Y. Maezawa, T. Iwasa, D. Wen, J. Kamimura, X. Geng
    • 雑誌名

      SPring-8 User Experiment Report

      巻: 2017A ページ: 1435-1435

    • オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] SWAXS法による糖溶液中における生体脂質リポソームの構造特性お よび熱安定性の研究2018

    • 著者名/発表者名
      高橋孝輔,平井光博
    • 学会等名
      2017年度 量子ビームサイエンスフェスタ
  • [学会発表] WAXSとSANSを利用した糖溶液におけるタンパク質の構造,水和,安 定性の研究2018

    • 著者名/発表者名
      味戸聡志,平井光博
    • 学会等名
      2017年度 量子ビームサイエンスフェスタ
  • [学会発表] SWAX法による脂質リポソームに対する糖の効果の検討2018

    • 著者名/発表者名
      高橋孝輔,平井光博
    • 学会等名
      第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • [学会発表] 放射光X線および中性子の相補利用による濃厚糖溶液中のタンパク質の構造,水和,安定性の研究2018

    • 著者名/発表者名
      平井光博
    • 学会等名
      第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • [学会発表] 糖のタンパク質の構造,水和状態,安定性に与える効果2017

    • 著者名/発表者名
      平井光博
    • 学会等名
      研究集会「生物の低温適応分子機構 201 7」
  • [学会発表] Effect of molecular crowding on protein structure clarified by neutron and X-ray scattering2017

    • 著者名/発表者名
      M. Hirai, S. Ajito, H. Iwase, N. Ohta, N. Shimizu, N. Igarashi
    • 学会等名
      International Conference on Neutron Scattering 2017
  • [学会発表] How dose trehalose affect protein structure and its stability?2017

    • 著者名/発表者名
      S. Ajito, M. Hirai, H. Iwase, N. Ohta, N. Shimizu, N. Igarashi
    • 学会等名
      International Conference on Neutron Scattering 2017
  • [学会発表] Structural Studies on the Perireceptor Proteins involving in the Chemoreception2017

    • 著者名/発表者名
      T. Iwasa, D. Wen, X. Li, M. Ozaki, M. Hirai
    • 学会等名
      19th International Union for Pure and Applied Biophysics Congress 11th European Biophysics Congress

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公開日: 2018-12-17  

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