共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 細胞膜近傍における氷晶形成機構の解明
新規・継続の別 継続（平成17年度から）
研究代表者／所属 東京電機大理工
研究代表者／職名 教授
研究代表者／氏名 村勢則郎

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 上野聡 広島大生物生産 准教授

2

 高橋浩 群馬大工 准教授

3

 林正和 東京電機大院先端科学技術研 博士後期課程2年

4

 片桐千仭 北大低温研

5

 古川義純 北大低温研

研究目的 耐凍性の生物は細胞膜の近傍における氷晶形成を制御して身を守っている。したがって、耐凍性の仕組みの解明には細胞膜‐水界面における氷晶形成機構の理解が欠かせない。本研究の目的は、細胞膜近傍において脂質分子集合状態が氷晶形成にどのように影響しているか、また、クチクラなどの細胞膜近傍構造が氷晶形成にどのようにかかわっているかを明らかにし、耐凍性の仕組みを解明することにある。また、生物の凍結保存への応用に対する基礎データを蓄積することも目的としている。
　　
研究内容・成果 　これまでの研究から、水の凍結温度と共に、氷晶のサイズ・形状も脂質の種類と集合状態に依存することが明らかになってきた。生きたショウジョウバエを用いた低温X線回折実験では、体内における脂質と氷の結晶化を初めて観測し、脂質の結晶化はそれ自体が致死的ではないが、氷晶形成は致死的であることを明らかにした。（Takahashi et al.， Cryobiology， to be published；低温研・共同研究に謝辞で言及）
　蛍光分光法とX線回折を利用してモデル生体膜の構造に対する重水効果を調べた結果、重水置換によって膜分子間の相互作用は強化され、分子間距離で約0.01nm、二重膜の厚さで約0.12nm短くなるなど、内部構造に影響を及ぼすことがわかった。リン脂質膜が水系において微妙なバランスの上に構造を保っていることが示唆された。
　O/Wエマルションにおいて、界面活性剤の存在は鋳型となって油滴結晶化に影響を与えるが、その効果についてマイクロビームX線回折法による直接観察を行い、興味深い知見を得た。
　ユキムシの綿毛の脂質結晶構造解析（Spring 8）を試み、飽和炭化水素からなる直径約30ミクロンの微細繊維がどのような仕組みで規則的分子配列をとるようになるかについて考察し、進展がみられた。
　氷晶の形状は、脂質分子集合体だけでなく、多糖などの生体物質にも依存する。生物の表層には多糖や脂質を含んだクチクラの存在が知られている。このクチクラは外界からの異物侵入の阻止を含めて、環境変化に対して生物を保護する機能を果たしている。線虫の凍結挙動を解析したところ、線虫は未成熟（幼虫）の段階の方が体外凍結の際に脱水収縮が起こりやすいこと、生体膜透過性として知られるジメチルスルホキシドは体内に浸透し易く体内凍結は起こり難くなることが明らかになった。したがって、凍結解凍後の生存率は高くなる。これらの結果は、成長段階が進むにつれてクチクラ構造が発達し、氷晶や保護物質の体内への侵入を阻止する傾向が強くなる結果と理解することができる。また、CCDカメラを使用した顕微鏡観察では、線虫体内の凍結がexcretory pore部分で開始されることが示唆された。
　凍結抑制タンパク質（AFGP）を用いたATR-FTIR法による解析では、氷／水溶液界面において、AFGP分子のコンホメーションは変形することが確認されている。
　これまでの研究をもとに今後も様々な角度から情報を蓄積し、細胞膜近傍における氷晶形成機構の解明につなげたい。
　　
成果となる論文・学会発表等