Molecular mechanism of extreme environmental resistance revealed from structural properties of proteins embedded in sugar glass

糖玻璃中蛋白质的结构特性揭示了耐极端环境的分子机制

基本信息

批准号：
20K03878
负责人：
平井光博
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Gunma University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，生物の極限環境耐性や細胞保存・食品保存などで使用される糖のガラス化状態におけるタンパク質の構造特性を明らかにする目的で実施している。研究代表者らは，20%以下の比較的低濃度の糖溶液中では，糖分子のタンパク質の表面から選択的排除により，タンパク質周囲の高密度の水和領域が保存されるため，化学変性，熱変性条件においてもタンパク質の構造安定性が保たれること（変性温度，濃度の上昇），凝集を伴うアミロイド構造転移においては，糖の添加により，変性中間体からNative構造へれホールディングが飽きることなどを既に見出しているため，本研究では，含水率が極めて低い高濃度溶液，ラバー状態，ガラス化状態に含有されたタンパク質の構造を対象として系統的な実験を実施した。その結果，今までに次のような結果を得ている。（１）0.05 ～ 0.65 g/mL の濃度範囲の各種糖溶液（グルコース、フルクトース、マンノース、スクロース、トレハロース）の構造特性を検討した結果，低濃度では第二ビリアル係数は、すべての糖で反発的な分子間相互作用存在するにも関わらず，高濃度ではいずれの糖でも短距離分子間相関が現れることがわかった。特に，トレハロースはより無秩序な配置、すなわちかさばる配置を好むことを見出した。（２）さらに高濃度（低含水率）にすると，濃厚溶液状態からラバー状態を経て無秩序なガラス状態に転移する。この転移はトレハロースが最も顕著である。（３）含水率15%以下の非流動状態（ラバー•ガラス状態）に閉じ込められた各種の球状タンパク質は，よりコンパクトなnative様の構造を保持する。

这项研究的目的是阐明用于生物体极端环境耐受性以及细胞和食品保存的糖玻璃化状态下的蛋白质的结构特征。主要研究人员发现，在20%或更低的相对低浓度糖溶液中，从蛋白质表面选择性去除糖分子，保留了蛋白质周围致密的水化区域，从而导致化学变性，并保持了蛋白质的结构稳定性即使在热变性条件下（变性温度、浓度增加），也可避免氨基酸聚集。在劳埃德结构转变中，已经发现糖的添加会导致变性的中间体保持天然结构。在这项研究中，我们重点关注具有极低含水量、橡胶态和玻璃化态的高浓度溶液。对中所含蛋白质的结构进行了实验。结果，迄今为止已获得以下结果。 (1) 对浓度范围为 0.05 至 0.65 g/mL 的各种糖溶液（葡萄糖、果糖、甘露糖、蔗糖和海藻糖）的结构特性进行检查，结果发现，在低浓度下，第二维里系数对所有糖均具有排斥性。尽管存在显着的分子间相互作用，但所有糖在高浓度下都出现短程分子间相关性。特别是，我们发现海藻糖更喜欢无序或庞大的排列。 (2)当浓度进一步增加(含水量降低)时，状态从浓溶液态转变为橡胶态再转变为无序玻璃态。这种转变对于海藻糖最为明显。 (3)各种球状蛋白质被限制在非流动状态(橡胶/玻璃状态)，含水量低于15%，保持更紧凑的类似天然的结构。

项目成果

期刊论文数量（20）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

濃厚な糖溶液の構造：単糖類と二糖類の特性の比較とトレハロースの特異性

浓糖溶液的结构：单糖和二糖的性质比较以及海藻糖的特异性

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
平井光博
通讯作者：
平井光博

糖ガラスに包埋されたタンパク質の構造安定性

糖玻璃中蛋白质的结构稳定性

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
平井光博; 新井栄揮; 岩瀬裕希; 中川洋; 清水信隆
通讯作者：
清水信隆

Characterization of Localization, Ligand Binding, and pH-Dependent Conformational Changes of Two Chemosensory Proteins Expressed in the Antennae of the Japanese Carpenter Ant, Camponotus Japonicus

日本木蚁弓背蚁触角中表达的两种化学感应蛋白的定位、配体结合和 pH 依赖性构象变化的表征

DOI：
10.2108/zs190138
发表时间：
2020-06-15
期刊：
Zoological Science
影响因子：
0.9
作者：
D. Wen;Xing Li;Xiong Geng;M. Hirai;Satoshi Ajito;Kosuke Takahashi;M. Ozaki;M. Hojo;T. Uebi;T. Iwasa
通讯作者：
T. Iwasa

Characterization of Localization, Ligand Binding, and pH-Dependent Conformational Changes of Two Chemosensory Proteins Expressed in the Antennae of the Japanese Carpenter Ant, Camponotus Japonicus

日本木蚁弓背蚁触角中表达的两种化学感应蛋白的定位、配体结合和 pH 依赖性构象变化的表征

DOI：
10.2108/zs190138
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0.9
作者：
Wen Durige;Li Xing;Geng Xiong;Hirai Mitsuhiro;Ajito Satoshi;Takahashi Kosuke;Ozaki Mamiko;Hojo Masaru K.;Uebi Tatsuya;Iwasa Tatsuo
通讯作者：
Iwasa Tatsuo

濃厚な糖溶液の構造：単糖類と二糖類の特性の比較とトレハロースの特異性

浓糖溶液的结构：单糖和二糖的性质比较以及海藻糖的特异性