蛋白質溶液学

【基礎：用語と添加剤】

用語の定義　◆タンパク質の構造階層◆一次構造◆二次構造◆三次構造◆四次構造◆五次構造◆選択的相互作用・選択的水和・選択的排除◆静電遮蔽◆溶解度◆過飽和◆疎水性◆疎水性相互作用/疎水効果◆親水性◆アラントイン◆1,6-ヘキサンジオール◆ホフマイスター系列◆コスモトロープ◆カオトロープ◆ハイドロトロープ◆オスモライト◆変性剤◆イオン液体◆天然深共晶溶媒◆水◆二状態モデル◆モルテン・グロビュールモデル◆液–液相分離◆タンパク質の相図◆アモルファス凝集◆アミロイド◆共凝集◆サブビジブル粒子◆核形成–伸長モデル◆ハンセン溶解度パラメータ◆第二ビリアル係数◆拡散ビリアル係数

添加剤入門　◆水素結合◆疎水性相互作用◆静電相互作用◆ファンデルワールス力◆π–π相互作用◆カチオン–π相互作用◆双極子–双極子相互作用◆金属配位◆水和◆タンパク質の凝集抑制剤・アルギニン・アミン化合物・アミノ酸・カオトロープ・コスモトロープ・糖類・ポリオール・オスモライト・界面活性剤・尿素・塩酸グアニジン◆タンパク質の沈殿剤・高分子・コスモトロープ・糖類やポリオール・有機溶媒・多価金属イオン

卵白を使った溶液設計例　◆タンパク質凝集◆卵白の凝集◆卵白の凝集への添加剤の効果◆添加剤のメカニズム◆卵白の加熱凝集へのホフマイスター効果◆卵白の加熱凝集の濃度依存性◆卵白へのアルギニンの添加効果

【タンパク質溶液の性質】

安定性　◆自発的フォールディング◆どのようなタンパク質がリフォールディングするのか？◆二状態転移の実験◆熱力学の体系へ◆熱力学パラメータの解釈◆事例：耐熱性タンパク質の安定性の原理

粘度　◆粘度とは◆タンパク質濃度と粘度の関係◆アンドレード式◆分子間相互作用と粘度制御◆事例：アルギニンを用いた粘度低下の方法

沈殿　◆無機塩による沈殿◆イオン濃度と沈殿作用 ◆タンパク質の等電点から離れたpH中でのイオンの効果◆タンパク質の等電点に近いpH中でのイオンの効果◆アルコールによる沈殿◆アルコール変性◆高分子による沈殿◆等電点沈殿の設計：pH応答性CspBタグ

凝集　◆Lumry–Eyringモデル/加熱凝集の記述◆Hevehan–Clarkモデル/リフォールディングの記述◆リゾチームの加熱凝集◆残存活性と可溶性凝集体◆添加剤効果の分析：アルギニン◆添加剤効果の分析：アルギニンエチルエステル◆添加剤効果の分析：アミン・変性剤・イオン◆共凝集◆共凝集と添加剤の効果◆β-ラクトグロブリンとリゾチームの共凝集◆オボアルブミンとリゾチームの共凝集◆オボトランスフェリンとリゾチームの共凝集

フリーのアミノ酸の性質　◆アミノ酸の構造と性質◆側鎖の性質による分類と特徴◆溶ける現象の熱力学的理解◆アミノ酸の水への溶解度◆移相自由エネルギーの算出◆アミノ酸側鎖の疎水性◆アミノ酸のハイドロパシー◆アミノ酸の二次構造の取りやすさ◆20種類のアミノ酸が選ばれた理由◆タンパク質を構成するアミノ酸◆初期アミノ酸セットの特徴◆フォールダビリティとアミノ酸◆アミノ酸から見たタンパク質

アルギニン　◆添加剤としての発見の経緯◆凝集抑制のメカニズム◆アルギニンのその他のメカニズム◆アルギニンと水和◆新しい凝集抑制剤を開発する◆ポリアルギニン◆ハイドロトロープと界面活性剤との関係◆カチオン-π相互作用の証明◆芳香族化合物の溶解度の向上◆タンパク質を溶かす◆アルギニンの使い方◆タンパク質と緩衝液とアルギニンの関係◆アルギニンが凝集抑制剤として機能する条件◆サブビジブル粒子の形成への添加剤の効果◆階層的凝集モデルへのアルギニンの効果

相分離　凝集と相分離のちがい、相図、表面の影響、相分離に影響する添加剤

ゲル

乳化

深共晶溶媒

【酵素の活性】

酵素の性質　◆酵素とは◆代謝とは◆酵素のパラメータ◆ミカエリス-メンテン式を読み解く◆平均的な酵素の姿◆事例：酵素活性の補償◆事例：化学走性　（分析法、アロステリック効果、阻害）

酵素の活性化　◆酵素活性化のアイデア・構造と会合状態・熱力学的環境の制御・反応速度論・空間的組織化◆酵素と第三成分◆ホフマイスター系列のイオン効果◆セリンプロテアーゼの酵素活性◆事例：キモトリプシンの活性と無機イオン◆事例：キモトリプシンの活性とアミン化合物◆事例：キモトリプシンの活性と高分子電解質◆事例：ポリアミノ酸による乳酸脱水素酵素の安定化

酵素の液-液相分離　◆一般論としての液-液相分離と酵素活性◆ドロプレットによる酵素活性化のメカニズム◆酵素の連続反応と代謝の理解◆乳酸酸化酵素と液-液相分離◆代謝酵素の連続反応

【計測法】

吸収分光法　◆吸収分光◆濁度◆タンパク質の吸収スペクトルの例◆凝集抑制剤の効果の濁度による比較◆残存タンパク質量による凝集抑制剤の比較

蛍光分光法　◆内因性蛍光測定◆ANS蛍光◆ThT蛍光◆事例：タンパク質の持つTrp残基の蛍光◆事例：天然構造と加熱変性構造の比較◆例：遊離Trpの蛍光スペクトル

円二色性スペクトル　◆遠紫外CDスペクトル◆等吸収点◆サンプル調整◆近紫外CDスペクトル◆熱変性◆溶液状態の変化の判別◆サンプル調整

計測　◆光散乱◆動的光散乱DLS◆静的光散乱SLS◆電気泳動光散乱・ゼータ電位◆等温滴定型熱量系ITC◆熱力学パラメータによる相互作用の解釈◆示差走査熱量測定◆DSCによるIgGの分析

（◆濁度測定◆サイズ排除クロマトグラフィーSEC◆ナノ粒子追跡解析法NTA ◆分析超遠心法AUC）

【タンパク質の関連産業へ】

バイオ医薬品の製剤設計　◆緩衝液の緩衝作用◆抗体のための中性緩衝液の選択◆抗体のための酸性緩衝液の選択◆抗体製剤に使われる成分◆抗体製剤例◆Tris緩衝液を使ったバイオ医薬品の製剤例◆アデノウイルス製剤例◆アデノウイルス製剤の見方◆血清アルブミンの製剤例◆ポリソルベート◆スクロース・トレハロース・ソルビトール・マンニトール◆製剤に含まれるアミノ酸

洗剤と加水分解酵素

シャンプーと凝集抑制剤

アイスクリームとカゼイン

パンとグルテン

日本画と膠

【参考：生命現象の理解（本）】

相分離生物学（大学院生向け10コマ分の教科書）

相分離生物学の全貌（110名の専門家とまとめた79の研究プラン）

はじめに

蛋白質溶液学は、蛋白質の溶液状態を統一的に扱うことを目指している体系です。構造生物学が明らかにする分子構造、生物物理学・物理化学・熱力学が与える安定性の原理、コロイド科学や界面科学が扱う分散・会合・界面挙動、酵素学が扱う機能発現、さらに製剤学や食品科学が求める実用的な溶液設計を、一つの枠組みの中で結びつけます。

たとえば、ある抗体溶液で「濃度を上げるとなぜ粘度が上昇したのか」という問いがあったとき、物理化学や流体物性の言葉である程度は説明できます。しかし、「なぜアルギニンを添加すると粘度が低下したのか」「なぜリジンでは逆に粘度が上がる場合があるのか」「なぜ別の蛋白質ではアルギニンが同じように働かないのか」という問いに答えるためには、既存の学問体系だけでは答えるのが難しく、あらたな体系が必要になります。

さらに、「アルギニンよりも粘度を下げる添加剤はあるのか」「その添加剤は構造安定化にも役立つのか」「そこで得られた知識は、ろ過、凍結乾燥、長期保存、あるいは食品や美容品の設計にも応用できるのか」といった問いに答えられると、広く世に役立ちます。

あるタンパク質構造のギブス自由エネルギーがわかると何が言えるのか。ある分子の溶解度の数値をどのように現場の判断に結びつけるのか。研究室にある汎用的な分光装置からタンパク質溶液に関する情報をどうやれば取り出せるのか。抗体溶液にあえて添加されているヒスチジンとアルギニンとメチオニンは何をしているのか。こうした素朴な問いに答えられるまで体系化できれば面白いと思っています。