ニュース｜中性分子は荷電分子のように振る舞えるのか？ 米国チームが従来の生化学の常識に挑戦
マサチューセッツ大学アマースト校が主導した研究により、ポリ両性イオンに関する長年の見解が覆された。電気的に中性と考えられているにもかかわらず、ポリ両性イオンは荷電粒子のように電場中を移動することが示された。Nature Communicationsに掲載されたこの研究は、タンパク質や糖質の分析、薬物送達など、さまざまな生物医学分野への応用を支える可能性がある。
研究は、高分子科学・工学の大学院生イェスル・リー氏と、責任著者でウィルマー・D・バレット教授のムルガッパン・ムトゥクマール氏が実施した。
中性高分子が荷電分子のように振る舞い、標準的な仮定を覆す
ポリ両性イオンは、正と負の両方の基を含む両性イオン単位から成るが、全体としては中性である。そのため、従来は電場中を移動しないはずだと考えられていた。単一分子電気泳動により、次のことが明らかになった。
PSBMAは負に帯電しているかのように振る舞う
PMPCは正に帯電しているかのように振る舞う
つまり、反応を示さないと予想されていた中性分子が、特定の方向へ移動した。
「私の研究では、生体高分子の構成要素であるタンパク質とアミノ酸の挙動を調べています」とリー氏は述べた。「分子が密集した細胞内環境では、分子がどのように移動し、情報を伝達するかを理解することが不可欠です」
なぜ中性分子は移動するのか？ 鍵は「隠れた電荷」
研究チームはその仕組みを特定した。
ポリ両性イオンは、片方の荷電端が外側へ突き出し、もう片方が高分子主鎖の近くに位置する、あばら骨のような構造をしている。研究で次のことが示された。
PSBMAでは、あばら骨の「先端」に負の電荷がある
PMPCでは、「先端」に正の電荷がある
もう一方の電荷は弱まり、高分子主鎖の近くで大部分が「隠れて」いる
したがって、先端の電荷が電場中での移動方向を決める。
第二の発見：細胞内の電場は均一ではない
科学者たちは一般に、生体高分子を取り巻く細胞内電解質の誘電率は均一で、各電荷を等しく弱めると仮定していた。しかし研究では、次のことが明らかになった。
正負の電荷の周囲では、局所的な誘電率が異なる
誘電率は高分子主鎖の近くで大幅に低い
主鎖から離れて先端に近づくほど上昇する
これは、細胞内の微視的な電場が従来考えられていたより複雑であり、分子間相互作用を単一の均一な規則では説明できないことを示唆している。
「これは生化学の基礎的な力学の理解に貢献します」とムトゥクマール氏は述べた。「高分子主鎖からの距離によって誘電率が変化することは、誰も知りませんでした。私たちはそれを観察し、その影響を定量化しました」
タンパク質研究と精密医療の新たな基盤
中性分子が荷電分子のように振る舞うという発見は、タンパク質の集合、移動、相互作用に新たな視点をもたらす。研究チームは、次の分野の進展につながる可能性があるとしている。
疾患の早期検出
精密な薬物送達
タンパク質・糖質の分析と同定
生体分子のスクリーニングと分離
この研究は、米国国立科学財団（NSF）と空軍科学研究局（AFOSR）の助成を受けた。
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マサチューセッツ大学アマースト校が主導した研究により、ポリ両性イオンに関する長年の見解が覆された。電気的に中性と考えられているにもかかわらず、ポリ両性イオンは荷電粒子のように電場中を移動することが示された。Nature Communicationsに掲載されたこの研究は、タンパク質や糖質の分析、薬物送達など、さまざまな生物医学分野への応用を支える可能性がある。
研究は、高分子科学・工学の大学院生イェスル・リー氏と、責任著者でウィルマー・D・バレット教授のムルガッパン・ムトゥクマール氏が実施した。
中性高分子が荷電分子のように振る舞い、標準的な仮定を覆す
ポリ両性イオンは、正と負の両方の基を含む両性イオン単位から成るが、全体としては中性である。そのため、従来は電場中を移動しないはずだと考えられていた。単一分子電気泳動により、次のことが明らかになった。
PSBMAは負に帯電しているかのように振る舞う
PMPCは正に帯電しているかのように振る舞う
つまり、反応を示さないと予想されていた中性分子が、特定の方向へ移動した。
「私の研究では、生体高分子の構成要素であるタンパク質とアミノ酸の挙動を調べています」とリー氏は述べた。「分子が密集した細胞内環境では、分子がどのように移動し、情報を伝達するかを理解することが不可欠です」
なぜ中性分子は移動するのか？ 鍵は「隠れた電荷」
研究チームはその仕組みを特定した。
ポリ両性イオンは、片方の荷電端が外側へ突き出し、もう片方が高分子主鎖の近くに位置する、あばら骨のような構造をしている。研究で次のことが示された。
PSBMAでは、あばら骨の「先端」に負の電荷がある
PMPCでは、「先端」に正の電荷がある
もう一方の電荷は弱まり、高分子主鎖の近くで大部分が「隠れて」いる
したがって、先端の電荷が電場中での移動方向を決める。
第二の発見：細胞内の電場は均一ではない
科学者たちは一般に、生体高分子を取り巻く細胞内電解質の誘電率は均一で、各電荷を等しく弱めると仮定していた。しかし研究では、次のことが明らかになった。
正負の電荷の周囲では、局所的な誘電率が異なる
誘電率は高分子主鎖の近くで大幅に低い
主鎖から離れて先端に近づくほど上昇する
これは、細胞内の微視的な電場が従来考えられていたより複雑であり、分子間相互作用を単一の均一な規則では説明できないことを示唆している。
「これは生化学の基礎的な力学の理解に貢献します」とムトゥクマール氏は述べた。「高分子主鎖からの距離によって誘電率が変化することは、誰も知りませんでした。私たちはそれを観察し、その影響を定量化しました」
タンパク質研究と精密医療の新たな基盤
中性分子が荷電分子のように振る舞うという発見は、タンパク質の集合、移動、相互作用に新たな視点をもたらす。研究チームは、次の分野の進展につながる可能性があるとしている。
疾患の早期検出
精密な薬物送達
タンパク質・糖質の分析と同定
生体分子のスクリーニングと分離
この研究は、米国国立科学財団（NSF）と空軍科学研究局（AFOSR）の助成を受けた。
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