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～水素結合の組み替えに直接的に作用し、不均一なタンパク質表面への水和を早める～
タンパク質は力学的、化学的な仕事を行う生体物質です。その機能を応用するためには、物理的、化学的な仕組みを理解することが求められます。しかし、タンパク質分子と、その周囲にたくさんある水分子との集団的な相互作用（水和）が複雑であり、仕組みの理解は容易ではありません。今清水主任研究員らの研究グループは、サブテラヘルツ領域の電磁波の照射により、タンパク質の周囲にある水分子集団の運動を励起し、水和状態を変化させる現象の観測に成功しました。本観測のためにサブテラヘルツ波照射中での高感度なマイクロ波帯の誘電率測定技術を開発し、水素結合でネットワーク化した水分子の動きやすさを評価しました。さらに、この観測の妥当性をNMR分光法とテラヘルツ分光法で検証しました。その結果、通常は長い時間を要するタンパク質の水和変化が、サブテラヘルツ波の照射によって大幅に加速されることを発見しました。本発見は、タンパク質の構造や機能の発現に不可欠な水和現象をサブテラヘルツ波によって制御できることを示唆しています。本研究成果は、タンパク質の水和の新たな知見であり、酵素反応の活性化や飲食料品の保存や熟成の技術、タンパク質異常疾患の研究などへの貢献が期待されます。
※詳細は図下のプレスリリースを参照。
研究グループ
- 今清水 正彦 主任研究員（代表、分子機能応用研究グループ）
- 杉山 順一 主任研究員（ナノ材料研究部門）
- 田中 真人 研究グループ長と佐藤 大輔 主任研究員（ 分析計測標準研究部門）
- 徳永 裕二 助教と竹内 恒 教授（東京大学大学院 薬学系研究科 ）
- 菱田 真史 助教（筑波大学 数理物質系 現：東京理科大学 准教授）
水と乾燥したタンパク質を混合した直後、水中では水分子同士の結合（水素結合）ネットワークが崩れる（左図）。その後、電荷との強い結合を外してネットワークを作り替えるなどして安定な水和構造が形成される（右図）。サブテラヘルツ波を照射するとその変化に要する時間が短縮されると考えられる。アミノ酸側鎖にある正電荷を＋、分子間・分子ーイオン間の相互作用を･･･で示す。
プレスリリース
投稿論文
- 論文タイトル：Nonthermal acceleration of protein hydration by sub-terahertz irradiation.
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著者：Jun-ichi Sugiyama#, Yuji Tokunaga#, Mafumi Hishida#, Masahito Tanaka, Koh Takeuchi, Daisuke Satoh, Masahiko Imashimizu*
#Contributed equally、*Corresponding author - 雑誌：Nature Communications, 2023. 14:2825