共同研究報告書
| 研究区分 | 一般研究 |
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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 | |||
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氏 名
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所 属
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職 名
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1 |
上野聡 | 広島大院生物生産 | 准教授 |
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2 |
金子文俊 | 大阪大院理 | 准教授 |
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3 |
高橋浩 | 群馬大院工 | 教授 |
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4 |
林正和 | 東京電機大理工 | 研究員 |
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5 |
片桐千仭 | 北大低温研 | |
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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‐水界面およびその近傍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X線回折実験で、体内における脂質の結晶化は致死的ではないが、氷晶形成は即死をもたらすことは既に報告した。以下に本年度の成果について報告する。 生体膜を構成する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適合溶質として知られるグリシンベタイン（GB)は、吸湿性が強く水和しやすい。水溶液の低温DSC測定、粘度測定、NMRによる緩和時間（T1)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し凝固点を大きく降下させる作用や、塩の析出を抑える作用をもつことが示唆された。（Fig.1)疎水基と親水基を併せ持つ両性イオンに特徴的な水和構造およびそれによる水構造破壊作用は、PCにおいても考えられ、細胞の凍結回避や凍害防御作用と関係している可能性がある。 ミトコンドリア内膜構成脂質であるカルジオリピンの分子集合体は、膜近傍に存在する物質との相互作用により相転移挙動の変化することが明らかにされ、このような実験結果とバース病との関連性について議論がなされた。膜構造の変化が近傍における氷晶形成に影響を及ぼすことは容易に考えられる。O/Wエマルション中における油脂の結晶化や結晶成長においても、試料調製条件によって結晶化挙動が異なってくることを明らかにした。 細胞膜近傍構造のモデル物質として架橋デキストランや架橋ポリアクリルアミドを用い、少水分系のDSC測定を行った。その結果、水分子はこれら高分子の可塑剤として機能し、ガラス転移温度を低下させることが明らかになった。ガラス転移温度近傍においてエンタルピー緩和現象も観測され、架橋密度の高い分子ほど柔軟性は低く、ビーズ状をした構造は変形しにくいことが確認された。 凍結保護物質としてジメチルスルホキシド（DMSO)を添加した線虫（C. elegans)では、植氷して細胞外凍結を引き起こしたのち徐冷することにより細胞内凍結を回避することができ、幼虫のみならず（Fig.2)、成虫においても凍結保存が可能となった。（H.Hayashi， N.Murase et al ; 投稿準備中） 研究成果を得るに際し、様々な顕微鏡を用いた氷結晶や細胞凍結の観察、DSC測定、X線回折が有効であった。今後も、これらの観測、測定手段を用いた研究を継続し、細胞膜近傍における氷晶形成機構を明らかにしていきたい。 |
| 成果となる論文・学会発表等 | |