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

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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。