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 広島大院生物生産 准教授

2

 金子文俊 大阪大院理 准教授

3

 高橋浩 群馬大院工 准教授

4

 林正和 東京電機大院先端科学技術 博士後期課程3年

5

 片桐千仭 北大低温研

6

 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‐水界面及びその近辺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生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生成・成長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。生物の凍結保存への応用も目的としている。
　　
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、氷晶形成は即死に追いやることを明らかにした。
生体膜を構成する典型的なリン脂質であるホスファチジルコリン（PC）は両性イオンからなる極性基をもつ。PCの極性基と類似した構造の両性イオンであり、適合溶質（水に易溶かつ無害で、細胞にストレス耐性能を付与する物質）として知られるグリシンベタイン（GB）水溶液の凝固点および粘度測定を行ったところ、GBは水素結合網の発達した液体の水構造を破壊する作用をもつことが示唆された。（投稿準備中）今後、X線小角散乱実験により溶液構造を明らかにする必要がある。両性イオンに特徴的な水和構造および水構造破壊作用はPCにおいても考えられ、細胞の凍結回避に関係している可能性がある。また、細胞膜近傍における氷晶生成の基礎研究として、中性子反射率測定を利用して、生体膜中における脂質分子のフリップフロップ運動性や極性基部分の水和水数評価を試みた。
凍結保護物質としてジメチルスルホキシド（DMSO）を使用した線虫（C. elegans; 幼虫L4）の凍結保存研究では、植氷して細胞外凍結を引き起こし更に徐冷することにより、細胞内凍結を回避できることが明らかとなった。その結果、液体窒素中に浸漬し緩速解凍すると、85％以上の生存率が得られた。（H.Hayashi， N.Murase et al ; 論文投稿中）しかし、高濃度のDMSOを添加し線虫が浸透圧により過度に脱水収縮すると、凍結解凍後の生存率は低下した。急速な脱水収縮によるクチクラの構造変化が更なる脱水とDMSOの体内への浸透を阻止し、体内凍結を回避することができなくなり、生存率が低下するものと考えられる。クチクラは外界からの水分や異物侵入の阻止、外部への水の蒸散阻止など、環境変化に対して生物を保護する機能を果しているが、氷晶形成の制御にも関与している可能性が示唆された。
　上記の成果をもとに、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について機構の解明につなげたい。
　　
成果となる論文・学会発表等 H. Takahashi， C. Katagiri， S. Ueno， et al. Direct observation of fat crystallization in a living fly by X-ray diffraction: Fat crystallization does not cause the fly’s instantaneous death， but ice formation does， Cryobiology， 57，75-77. 2008