産総研、北海道産キノコの「不凍タンパク質」が氷に吸着する仕組みを解明

産業技術総合研究所(産総研)は、北海道大学、理化学研究所(理研)、加クイーンズ大学との共同研究で、キノコ(イシカリガマノホタケ)が生産する「不凍タンパク質」の立体構造をX線結晶構造解析法によって決定し、氷の結晶へ吸着するメカニズムを解明したと発表した。

成果は、産総研 生物プロセス研究部門の津田栄主任研究員、同合成生物工学研究グループの近藤英昌主任研究員らの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、日本時間5月29日付けで「米科学アカデミー紀要(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America:PNAS)」オンライン版に掲載された。

通常の氷は無数の氷の粒子が成長しながら集合し、塊(氷塊)となったものである。氷の粒子が大きく成長すると、水以外の物質を粒子から排除したり破壊したりするため、冷凍による劣化(食品の冷凍焼けや水分の流出)を引き起こす。

そのため、食品や細胞などの品質を維持したまま冷凍するためには氷の粒子を小さい状態で保持することが重要であるが、これまでは液体窒素や消費電力量の大きい冷凍装置が必要であった。

不凍タンパク質は氷の表面に強く吸着して、氷の粒子の成長を抑制するタンパク質である(画像1)。不凍タンパク質を添加すると、氷の粒子は通常よりも小さくなり、冷凍による食品や細胞などの含水物へのダメージを低減できるというわけだ。このことによって氷結晶の形状が変化したり、水溶液の凝固点が低下するといった現象も観察される。

また不凍タンパク質が完成すれば、従来は凍結によるダメージを受けやいために冷凍保存が困難であった加工食品、野菜、果実などのまったく新しい省エネルギー型の冷凍保存技術ができると期待されているところだ。

国内における不凍タンパク質の応用技術開発は、魚類または野菜から抽出したものに関して進んでいる。米国では、遺伝子組換え技術を用いて生産した魚類不凍タンパク質を使った技術開発(アイスクリーム)が進んでいる状況だ。

産総研でも、種々の細胞や食品を高品位で保存する技術の開発や、極地の菌類が持つ凍結耐性の機構解明の研究が行われている。従来、不凍タンパク質は極地に生息する生物だけが生産すると信じられていたが、2002年に産総研が国内で漁獲され安価に入手できる魚類から不凍タンパク質を発見し、大量生産技術、不凍機能の解明などの研究開発を進めてきた。一方、キノコが寒冷な環境下で生育する際に生産する有用物質の探索や低温耐性のメカニズムの解明も進められている。

しかし、これまで安価で高性能の不凍タンパク質を生産する技術がないという問題があった。

イシカリガマノホタケは、約80年前に北海道の石狩平野で発見されたキノコで、積雪下の牧草類や小麦などの植物上で生育する代表的な好冷性生物である。このキノコが生産するイシカリガマノホタケ不凍タンパク質(Tis不凍タンパク質)は、魚類や野菜などの既知の不凍タンパク質とは分子量やアミノ酸配列などの性質が異なり、魚類不凍タンパク質の約5倍もの不凍機能を持つ。

また、イシカリガマノホタケは液体培養によって大量に培養できるため、不凍タンパク質の新たな原料として期待することが可能だ。しかし、Tis不凍タンパク質が氷結晶の成長を抑制するメカニズムが明らかではなかったのである。

今回、イシカリガマノホタケの培養液から精製したTis不凍タンパク質を用いて単結晶を作成し、兵庫県にある理研の大型放射光施設「SPring-8」の理研構造生物学ビームラインII「BL44B2」で、この単結晶のX線回折を測定し、同タンパク質の立体構造を決定した。

X線結晶構造解析法は、タンパク質の立体構造を詳細に決定する方法の1つである。対象となるタンパク質の単結晶を作成し、それにX線を照射することによって、タンパク質を構成している数多くの原子の位置(立体構造)を決定することができる仕組みだ。立体構造を知ることによって、そのタンパク質が持つ性質が働く仕組みを分子のレベルで理解することができるのである。

こうして得られたTis不凍タンパク質の立体構造は、これまでに知られていたほかの不凍タンパク質の立体構造とはまったく異なっており、「らせん階段」のような独特の分子骨格を持っていることが判明した(画像2a)。

このらせん階段は全部で6段あり、下の段に行くほど膨らんでいるため、Tis不凍タンパク質は全体として洋梨のような形状だ。また、このタンパク質表面の一部には、氷と強く結合できるように平面性の高い領域が形成されていることもわかったのである。

さらに、この領域にある複数の溝の中にいくつもの水分子が不規則に並んで埋もれていることも確認された(画像2b)。この領域が氷の表面に接すると、溝の中の水分子はそのまま氷の一部となり、不凍タンパク質と氷を強く結びつける「錨(いかり)」のような役割を果たすと考えられたのである(画像2c)。

微細な氷の結晶の単位構造は、模式的に正六角柱として示される(画像3a)。氷に吸着したTis不凍タンパク質を蛍光標識によって可視化することによって、Tis不凍タンパク質が氷結晶の複数の結晶面(正六角柱の側面と上下の面)に吸着する性質を持っていることがわかった(画像3b)。

魚類の不凍タンパク質は、上下の面には吸着できないことが知られている。Tis不凍タンパク質が強力な不凍機能を発揮するのは、氷結晶の複数の氷結晶面に吸着しその成長を強く抑制するため、と考えられる(画像3c)。

以上のことから、Tis不凍タンパク質は魚類や野菜などの不凍タンパク質と並び、新たな高性能の不凍タンパク質として応用が可能と考えられるという。

Tis不凍タンパク質は、魚類や野菜の不凍タンパク質を遥かに凌ぐ性質を独自のメカニズムによって発揮する。また、不凍機能が強力なので、少量を添加するだけでも十分な効果を発揮できると推測された。最少使用量は、およそ5分の1になると予想される。

栽培や培養の技術を用いたキノコの不凍タンパク質の大量生産技術が確立すれば、その特徴を生かした新たな不凍タンパク質の応用技術が進むものと期待されるという。

今後、研究グループはTis不凍タンパク質の氷に吸着する機構を人工的に変化させることによる高性能化を検討する予定だ。また、培地や培養条件を最適化することによって、大量の不凍タンパク質を低コストで生産できる技術の開発を行いたいとする。

さらに、イシカリガマノホタケ以外の寒冷地で採取されるキノコを対象として、不凍タンパク質の性能や機能を詳細に解析するとした。これらの研究を通じて、キノコの不凍タンパク質を用いた冷凍保存技術の開発に取り組んでいくとしている。