タンパク質機能を決める「隠れた水の構造」を世界初可視化に成功—タンパク質と水を一体で捉える新概念「タンパク質超構造」を提唱—

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2026-08-27 京都大学

金沢大学、京都大学、米国ワシントン大学などの国際共同研究グループは、三次元原子間力顕微鏡(3D-AFM)を用い、ペプチド表面を取り囲む水分子が、アミノ酸配列や表面の化学的性質に応じて多層的・規則的な「水和構造」を形成することをサブナノメートル分解能で直接可視化した。従来、水はタンパク質を取り巻く単なる溶媒として扱われがちだったが、本研究は疎水性、極性、芳香族性、電荷などに応じて水が秩序化し、タンパク質の機能や相互作用に関与する可能性を示した。研究グループは、タンパク質本体と固有の水和構造を一体として捉える「タンパク質超構造(Protein Superstructure)」を提唱。AIによる構造予測だけでは捉えにくい機能理解を補完し、創薬、タンパク質工学、バイオマテリアル開発への応用が期待される。

タンパク質機能を決める「隠れた水の構造」を世界初可視化に成功—タンパク質と水を一体で捉える新概念「タンパク質超構造」を提唱—
自己組織化したペプチドの水和構造の3D-AFMによる可視化。

<関連情報>

ペプチドは配列特異的な表面化学によって規定される多層的な水和シェル副構造を示す Peptides display multilayered hydration shell substructures dictated by sequence-specific surface chemistry

Ayhan Yurtsever,Fabio Priante,Linhao Sun,Djamel Eddine Chafai,Kaito Hirata,Keisuke Miyazawa,Leonardo Puppulin,Kazuki Miyata,Takashi Sumikama,Adam S. Foster,Takeshi Fukuma & Mehmet Sarikaya
Nature Communications  Published:26 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76923-4  Early provide

Abstract

Water is crucial for life, mediating intermolecular interactions that govern protein stability, molecular recognition, and biological function. While insights into protein hydration have been obtained using spectroscopic, scattering, and computational approaches, direct real-space visualization of hydration architectures at biomolecular interfaces with submolecular resolution remains challenging. Here we show that three-dimensional atomic force microscopy directly maps hydration architectures of self-assembled peptide molecular arrays formed on atomically flat graphite. We observe that a graphite-binding dodecapeptide, which mimics structural and chemical characteristics of proteins, organizes water into a multilayered, structured hydration shell. The structured water in the hydration shell exhibits a gradient of molecular ordering that is modulated by sequence-encoded surface chemistry, giving rise to domains of enhanced and diminished water organization that extend across hydration layers before gradually converging into the bulk water. The hydration structure dynamically conforms to the physical topography and the chemical domains of the peptides, with local water structure modulated by hydrophobic, polar, and charged peptide residues. Our findings reconceptualize hydration as a sequence-specific structural phenomenon, defining an integrated protein superstructure that incorporates the amino acid framework and its structured hydration shell, thereby providing a basis for understanding hydration-governed protein function and for designing proteins with tailored functionalities

生物工学一般
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