共同研究報告書提出

共同研究報告書

研究区分	一般研究
研究課題	I型不凍タンパク質のアミノ酸配列と氷の成長抑制効果との関係
新規・継続の別	新規
研究代表者／所属	産業技術総合研究所
研究代表者／職名	主任研究員
研究代表者／氏名	灘浩樹

研究分担者／氏名／所属／職名
	氏　　名	所　　属	職　　名
1	古川義純	北大低温研

研究目的	本研究はシンプルなアルファヘリックス構造を持つI型不凍タンパク質（以下、AFPと略記）が氷の成長を抑制する機構を分子動力学シミュレーションと結晶成長実験により探り、氷点下に生息する生物の凍耐機構の理解を深める学術的知見を取得することを目的とする。

研究内容・成果	(1)AFPの氷界面吸着構造および氷の成長抑制機構の分子動力学研究研究内容：極地の魚winter flounderに含まれるI型AFPのミュータント（水素結合基を有するスレオニンを疎水性の強いバリンに置換したもの）をモデルAFPとして取り上げ、その氷ピラミッド面（{20-21}面）へのエネルギー的安定吸着構造を分子間相互作用計算により解析した。また、分子動力学シミュレーションにより氷ピラミッド界面における成長抑制機構を調べた。研究成果：分子間相互作用計算から得られたAFPの氷ピラミッド面へのエネルギー的安定吸着構造は、AFPから突起した4つの疎水基バリンが氷ピラミッド面の分子配列構造に現れる窪みにフィットたものであることがわかった。成長する氷ピラミッド界面の分子動力学シミュレーションでは、AFPがエネルギー的に安定吸着した場合にのみ成長抑制が起こった。以上の結果より、ここで得られたAFPのエネルギー的安定吸着構造は成長抑制に直接寄与する吸着構造であると結論付けられる。シミュレーションで起こった氷の成長抑制は、界面に安定吸着したAFP周辺に成長する氷が曲率を持つことによる融点降下（ギブス・トムソン効果）により説明できることがわかった。 (2)AFPを含む水から成長する氷の形態の実験的研究研究内容：AFPを含む水からの氷の結晶成長実験を実施し、氷の成長形態を観察することによりAFPが成長を抑制する氷結晶面方位を調べる。研究成果：III型AFPおよび不凍糖タンパク質（AFGP）を用いた氷の結晶成長実験の結果、I型AFPと同様に氷ピラミッド面の成長が抑制されることがわかった。これより、I型AFP、III型AFP、AFGPによる氷の成長抑制機構は全て本質的に同じであると考察できる。 (3) AFPによる氷の成長抑制効果とそのアミノ酸配列との関係の検討研究内容：分子動力学シミュレーション結果および実験結果を総合し、AFPによる氷の成長抑制効果とそのアミノ酸配列との関係を検討する。研究成果：本研究で調べたI型AFPによる氷の成長抑制は、疎水基の氷ピラミッド面への構造的フィットによりもたらされる。他の種類のI型AFPも構造が類似しているため、同様な構造的フィットが起こると考えられる。III型AFPはI型AFPとは構造が異なるものの、III型AFPの疎水基面はファンデア・ワールス力により氷ピラミッド面にフィットすると考えられている。したがって、氷の成長抑制を引き起こすタンパク質のアミノ酸配列条件の一つとして、タンパク質を構成するアミノ酸疎水基と氷ピラミッド面との構造的フィットが考えられる。AFGPは水素結合基を有するアミノ酸や糖鎖も氷ピラミッド面に接触している可能性があり、したがってAFGPの氷ピラミッド面への吸着力はI型AFPやIII型AFPより大きくなることが予測される。このことは、AFGP はそれらのAFPよりも強く氷の成長を抑制するという実験事実と矛盾しない。

成果となる論文・学会発表等	H. Nada and Y. Furukawa， Growth inhibition mechanism of ice-water interfaces by a mutant of winter flounder antifreeze protein: a molecular dynamics study， J. Phys. Chem. B112 (2008) in press.