α₁-酸性糖タンパク質(AGP)は、細胞膜内への薬物輸送に関わるタンパク質として知られています。生体膜への結合に伴った構造変化によりその薬物輸送機能が発現します。一方で、AGP と生体膜の相互作用機構には不明な点が多いため、AGP の構造-機能相関の理解に向け、さらなる調査が必要でした。

　私たちは模倣膜としてリポソーム膜を調製し、これらと相互作用するAGPの構造をVUVCDにより解析しました。その結果、これらの相互作用には静電的相互作用・疎水性相互作用が駆動力として必要であることが明らかになりました。また本研究グループ独自の手法により二次構造の形成領域の予測が可能となっています。N末端領域に予測されたα ヘリックス領域は、薬物結合部位が集中しており、この領域の構造変化が薬物輸送機能に重要な部位であることが示されました。

　[3] K. Matsuo et al., Biochemistry, 2009, 48, 9103.
　[4] K. Matsuo et al., Chirality, 2020, 32, 594.

　神経細胞の軸索周辺にあるミエリン鞘という絶縁性の組織は、細胞間の電気信号のやりとりを高速化する上で重要です。ミエリン鞘は生体膜の多層構造であり、この構造はミエリン塩基性タンパク質(MBP)が「糊」のように膜間を媒介することで形成されます。ミエリン鞘の形成不全は多発性硬化症等の疾病を引き起こすため、それら疾病の発症メカニズムの理解のために MBP の膜結合構造の特徴化が必要です。

　私たちは、VUVCD実験と分子動力学(MD)シミュレーションを用いて、MBP の膜結合構造を調査しました。VUVCD 測定と解析の結果、MBP は生体膜非存在下でランダムコイルが多い構造を形成し、生体膜存在下では α ヘリックスが多い構造を形成することが明らかになりました（含量：約40％、本数：8本）。さらにMD を用いて、 予測 α ヘリックス断片の膜結合性を検証した結果、生体膜表面との静電的相互作用により膜結合する3つの非両親媒性ヘリックスと、生体膜表面との静電的相互作用と生体膜内部との疎水性相互作用により膜結合する 2 つの両親媒性ヘリックスが存在することと、MBP は5つの膜結合する α ヘリックスを形成することで、ミエリン鞘の多層構造形成に寄与することが示されました。

　[5] K. Kumashiro et al., Protein Structure, Function, and Bioinformatics, 2021, 89, 1251.

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　薬剤耐性は、世界中の医療で大きな課題として挙げられます。抗菌ペプチド(AMP)は、微生物の細胞膜に結合し、膜構造を破壊することで抗菌作用を示し、薬剤耐性菌にも作用します。一方、医薬品としては副作用等により臨床応用性に限界があり、有効な AMP のデザイン戦略のため AMP の膜結合機構の更なる理解が必要でした。

　私たちは、広く研究されてきたマガイニン 2(M2)をモデル AMP として、その膜結合機構を VUVCD 法と膜配向構造がわかる直線二色性(LD)法を用いて調査しました。生体膜として一部の細菌の細胞膜に存在する DPPG を含むリポソーム生体膜を使用し、VUVCD 測定の結果、M2 は脂質対ペプチド(L/P)比の増加に伴い、中間状態を経由してランダムコイルから αヘリックスに構造変化することが分かりました。さらに物理モデルを用いた global fitting 解析から、M2 は膜上で α ヘリックスの単量体から中間状態である β シートの多量体に変化することが分かり、LD 測定からこの β シートが生体膜表面に垂直に存在することが分かりました。さらに、その多量体形成が生体膜に及ぼす影響について蛍光異方性を用いて調べた結果、多量体は膜構造を不安定化させることが明らかとなり、生体膜上でのβ シートの多量体の形成が M2 の抗菌作用の理解に重要であることが示されました。

　[6] K. Kumashiro et al., Membrane, 2022, 12, 131.

　生体分子の構造安定化や溶液の粘度、タンパク質への結合親和性といった単糖類の構造に由来する特性を理解するためには、分子内相互作用や水溶液中の単糖の水和度、構造ダイナミクスが重要なパラメータとなります。_D-グルコース (_D-Glc)は、6つの異性体間の特徴的な集団比の起源を明らかにするために実験的・理論的手法の両方により集中的に研究されてきました。これらの構造パラメータは絡み合っていますが、その関係については議論が不十分であり、実験値と理論値の整合性の検証が困難であることが課題でした。

　私たちは_D-Glcの水溶液中の6つの異性体を対象とし、実験的および理論的なCD技術を適用することで溶液構造の解析を実践しました。その結果、各パラメータの相関性を明らかにし、_D-Glcの6つの異性体の溶液構造を特徴づけることに成功しました。VUVCDによる実験とMDおよびTDDFT計算技術を組み合わせたこの手法は、単糖類の平衡構造を特徴付けるための有用なツールとして応用が期待されます。

　[9] K. Matsuo et al., J. Phys. Chem. A, 2020, 124, 642.

　天然多糖類は人体に対する毒性が少なく、拒絶反応も起こりにくいため医学的な応用が可能であると期待されています。これらは、植物、海藻、動物、微生物（バクテリア・菌類）のなかに広く分布しており、中でも地表の70％を占める海洋は天然産物を豊富に供給し、この中に含まれる海藻由来の天然多糖類にもその応用性へ期待が高まっています。

　私たちは海藻試料から採取した海洋性真菌の菌体外多糖（EPS）を対象とした研究を行っています。測定には円二色性をはじめ、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)、核磁気共鳴法(NMR)、高速液体クラマトグラフィ(HPLC)、紫外吸収法(UV-Vis)など様々な物理化学的手法を使用し、EPSの分子構造、単糖構成、構造の解明を目指しています。

　[10] Y. El Halmouch et al., Carbohydrate Polymers, 2023, 311, 120743.

　ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）は微生物が体内にて生産するプラスチックの一種です。PHA を使用したバイオプラスチックの製造は、その持続可能性と SDGs の達成における有効性から注目され、PHA ポリマーは医療、農業、産業と様々な分野での応用が期待されています。300 を超える微生物種（細菌、真菌、藻類など）が PAH を生成する能力を示す一方で、商業化に向けては多くの課題があります。安価な炭素源としてサトウキビ糖蜜を使用した新規細菌分離株による PHA 生産のための費用対効果の高い戦略を確立を目的した研究においてVUVCDが応用されました。

[11] M.E.Esmael et al., International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 242, 124721.

　生体物質の形と性質には密接な関係があります。形を変えて、新しい性質を持つタンパク質を理解するには、この変化の過程を直接観測する必要があります。私たちは既存のVUVCD分散計にマイクロ流路等を搭載した時間分解型装置（TR-VUVCD）を構築し、タンパク質の変化の過程を”生の状態”で観測することに成功しました。形の変化を理解する手法はこれまで限りがありましたが、本装置が今後の生体物質の構造変化研究を発展させる一つとなることが期待されています。

[12] S.Hashimoto et al., Analytical Chemistry, 2024, 96, 10524.