2018 Fiscal Year Annual Research Report
三次元極小界面における脂質分子ダイナミクスの解明と革新的脂質キュービック法の開発
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17H03038
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
一川 尚広 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (80598798)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 豪 北里大学, 理学部, 助教 (80547076)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 脂質キュービック法 / 双連続キュービック液晶 / モノオレイン / イオン液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脂質キュービック法は、膜タンパク質の真の構造解明において非常に重要である。しかし、実際にこの手法によるメカニズムなどに関しては謎も多い。双連続キュービック液晶からの水の揮発やモノオレイン中のエステル部位の加水分解反応などに起因する成分変化などが系をより複雑にしてしまうため、詳細な解析をする上で問題となる。このような問題点を解決する手法として、前年度は水の代わりにイオン液体を利用するアプローチに成功した。しかし、イオン液体と膜タンパク質間のイオン交換などが起きてしまう可能性を考えると、イオンペアを保つような戦略が必要と考えた。
2018年度は、有機塩としてカチオンとアニオンが共有結合で連結されたZwitterionの利用に着目した。Zwitterionの強い水和力ゆえに、水とZwitterionを混合して作成した溶液（水和Zwitterion）は蒸気圧が低く、更に冷却によっても水分子が凍らないことを明らかとした。これらの水和Zwitterionをモノオレインと複合化したところ目的の双連続キュービック相を発現することも見出した。また、このようなモノオレイン/Zwitterion/水の三成分系の相図も作製することができた。更に、この三成分系に膜タンパク質のモデルとしてダーマセプチンを導入したところ、双連続キュービック液晶マトリックス中でαヘリックス構造を形成することを見出すことができた。これらについては、論文として報告した。
また、モノオレインだけでなく様々な両親媒性分子でも双連続キュービック液晶相を創ることができれば、脂質キュービック法の更なる拡張に繋がると考え、糖脂質を利用した設計にも挑戦した。アミノ酸イオン液体を適切に選択し、複合化することで目的の双連続キュービック液晶相を発現することができることがわかった。これについても論文として報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イオン液体だけではなくZwitterionを用いても双連続キュービック液晶マトリックスを安定化する方法を生み出すことができた。イオン液体と比較して、Zwitterionは様々な生体高分子との適合性が高いことが報告され始めていることを考えると、本研究の成果は大きな進展である。
モノオレインの分子ダイナミクスに関するシミュレーションに関しては、各種パラメータ（単位格子中の脂質分子数・分子配置位置・分子のコンフォメーション・圧力・力場パラメータなど）をふり検討を行ったところ、実際の相図に近い挙動を再現することができ始めており、これらについても論文として結果がまとまりつつあり、順調と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度は、双連続キュービック液晶マトリックスの設計性を拡張でき、更にこの双連続キュービック液晶マトリックス内に膜タンパク質を導入する手法が確立し始めたので、今後はこのマトリックス内に十分量の膜タンパク質を埋め込み、単結晶化する方法について検討する。特に、マトリックス内における脂質分子の拡散挙動などの解析を行うことで、溶媒として水とイオン液体を用いた場合を比較する。また、イオン液体が真空でも飛ばないことを利用し、高解像度SEMなどでマトリックス中における物質の拡散挙動を調べる方法論にも挑戦する。昨年度は実現し切れなかった、蛍光消光法、パルス磁場勾配NMR 法、および光退色後蛍光回復法などについても検討する。
シミュレーションによるダイナミクス解析に関しては、レイヤー状にモノオレインを配列した系に関しては概ね実験系と相関が取れてきたので、今後はジャイロイド極小界面のような曲面の形成メカニズムや曲面上でのダイナミクスに関して明らかにしていく。
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