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連結して氷の結晶成長を食い止める不凍タンパク質を発見 ~小さな氷結晶で埋め尽くすように水を凍らせる新技術~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は,2017年2月16日,産総研 生物プロセス研究部門兼 産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ津田 栄 上級主任研究員,同部門 近藤 英昌 主任研究員,西宮 佳志 主任研究員らが,株式会社ニチレイ(ニチレイ)技術戦略企画部 小泉 雄史 グループリーダーらと共同で,濃度に応じて分子同士が連結し,氷の結晶成長を止める新しいタイプの不凍タンパク質BpAFPを魚類から発見したことを発表した.BpAFPを用いることにより,食品や細胞の中に氷の塊を作らせない新たな凍結保存技術を開発できると期待されるという.本研究は科学研究費補助事業の支援を受け,成果の詳細は英科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).

 氷は無数の氷核が密集したものであり,個々の氷核は周囲の水分子を取り込んで成長と融合を繰り返し,氷を大きくする.もし氷核の成長と融合を止めることができれば,野菜,果実,加工食品,パン類,麺類,清涼飲料,医療品,試薬類,化粧品,顔料,細胞,組織,臓器などを,品質や生命力を損なわずに凍結する新技術ができると考えられてきた.不凍タンパク質AFP(antifreeze protein)は,0℃よりやや低い温度域でも氷核の成長と融合を抑制できる特徴を有し,特に氷核の全面に結合できる高機能AFPは高い抑制効果を示す.しかし,既知の高機能型AFPは昆虫などに含まれる極微量成分であり,実用に使える高機能型AFPの開発が強く望まれていた.

 産総研はこれまでにニチレイとの共同研究で,魚類を原料とするAFPの大量精製技術を確立し,ニチレイは2016年9月この成果を基に高純度のAFPシリーズの発売を開始している.応用展開として,高気孔率セラミックス製造法の共同研究も行なわれている.また,細胞を4℃で生存保存する実験にも成功し,医療分野での応用への期待も高まっている.

 今回新たに発見した不凍タンパク質BpAFP(Bp: Barfin plaice,カレイの一品種名)は,濃度が低いうちは,これまでのAFPと同じく氷結晶のピラミダル面という結晶面だけに結合し,成長が抑えられて出来る結晶構造はバイピラミッド型(二個の多角錘の底面を貼り合せた形)となるが,濃度を高めて行くとAFPの分子同士が結合し,氷結晶を覆いつくすようになり,氷の結晶形状も角が取れて縮小していき,小さなレモン型になる.氷結晶との結合力の指標である熱ヒステリシスの最大値も3.2℃とこれまでのAFPより高い値であり,氷核の成長と融合を阻止する能力に優れていることを示している.

 分子構造の解析結果,次のことがわかった.①BpAFPは連続したアラニンを多く含むアミノ酸配列から成る比較的小さな分子である.②BpAFPは分子表面にスレオニン(T)を等間隔で配置したαらせん型構造である(円偏光二色性測定).③BpAFPは水溶液中で4量体や8量体を形成する(沈降法の実験).④BpAFPは100℃に加熱後もαらせん構造を維持し,pH3~8の間で失活しない.

 今後,食品や細胞などにBpAFPを適用して,それらの品質や生命力に与える効果を明らかにし,また,ゲル化凍結技術やフリーズドライ技術に対するBpAFPの効果についても明らかにするとしている.

(注)S. Mahatabuddin, Y. Hamada, Y. Nishimiya, A. Miura, H.Kondo, P. L. Davirs, and S. Tsuda, "Concentration-dependent oligomerization of an alpha-helical antifreeze polypeptide makes it hyperactive", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 42501 (2017), doi: 10.1038/srep42501; Published online: 13 February 2017