mile米乐集团 亚赫兹波加速水和蛋白质的微观混合

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）细胞与分子工程研究部 今清水正彦 首席研究员、纳米材料研究部 杉山纯一 分析与测量标准研究部 首席研究员 田中正人研究组组长、佐藤大辅 首席研究员 是亚赫兹该区域的电磁波照射会激发蛋白质周围水分子的运动，保湿我们成功观察到了一种改变状态的现象。对于这个观察亚赫兹波照射期间高灵敏度微波波段介电常数开发测量技术，氢键评估了网络水分子的运动难易程度。我们还与东京大学药学研究生院的德永雄二助理教授和竹内久教授以及筑波大学数学与材料系助理教授 Masashi Hishida（在研究时，现任东京大学理学院化学系副教授）进行了合作。核磁共振波谱（东京大学）和太赫兹光谱（筑波大学）验证。结果，合作研究小组发现，通常需要很长时间的蛋白质水合变化可以通过亚太赫兹辐射显着加速。这一发现表明，亚赫兹波可以控制水合现象，这对于蛋白质结构和功能的表达至关重要。这项研究的结果提供了有关蛋白质水合的新知识，预计将有助于酶反应的激活、食品和饮料的保存和老化技术以及蛋白质异常的研究。

蛋白质是执行机械和化学工作的生物物质。为了利用其优异的功能进行材料生产，有必要了解其物理和化学机制。然而，一个障碍是蛋白质分子和许多周围水分子之间的集体相互作用（水合作用）是复杂的并且不容易解释。单个水分子具有简单的结构，但它会以多种方式发生变化，例如成组移动（氢键弱结合）或成块自由移动。团块的大小、运动方式和时间尺度根据它们与其他分子的相互作用而变化很大。水中的蛋白质通过被水合水覆盖并保持其形状和流动性来发挥作用。如果没有水合水，蛋白质分子就会聚集并变成纤维状，它们的积累会导致各种疾病。

蛋白质是由约20种氨基酸连接在一起组成的聚合物。根据蛋白质表面所含氨基酸的类型，存在喜欢水的区域（亲水性）和不喜欢水的区域（疏水性）。因此，水合结构形成所需的时间以及形成后水的流动性在蛋白质的每个位置上都有很大差异。这种水合异质性被认为是决定蛋白质功能特征和时间尺度的一个因素，但它很难观察到，而且还有很多未知之处。在积极使用蛋白质功能的各种情况下，理解水合的异质性是一个挑战，包括抗体等生物制药和PCR等酶反应，由于新型冠状病毒而成为热门话题。

AIST 一直致力于在生命科学领域利用亚太赫兹 (sub-THz) 波，这种波作为第六代移动通信系统 (6G) 的无线电波而备受关注。根据对蛋白质水溶液的观察，室温下水和蛋白质的集体运动预计在亚太赫兹频率范围内耦合。研究小组重点关注亚太赫兹波的可能性，这种波的变化频率与水和蛋白质的关联运动相同，可以从外部向这种关联运动提供选择性刺激。

研究小组此前曾使用亚太赫兹波刺激水和蛋白质的运动，并使用核磁共振波谱检查蛋白质和水之间的相互作用如何变化（参考文献 1）。亚太赫兹波的能量被蛋白质水溶液吸收，从而提高了样品温度。因此，我们首先期待的是水和蛋白质的运动均匀地变得更加活跃的现象，这与正常加热时相同。然而，观察到的现象更像是冷却而不是加热。这项研究表明，亚太赫兹波照射可能会改变特定位置的水合水的结构，但其直接影响和详细机制尚不清楚。

为了直接观察亚太赫兹波照射引起的水合现象的变化，需要一种可以在照射时使用且不受亚太赫兹波影响的观察方法。为了解决这个问题，我们采用了微波频段的介电常数测量技术。受到微波波段电磁波照射的水分子集体改变其方向介电弛豫由于发生这种现象，因此可以将其观察为介电常数的变化。水合作用强化了水分子的集体网络结构，使水分子难以移动，从而降低了介电常数。因此，我们认为通过改变有无亚太赫兹波照射、有无温度变化等条件，可以观察亚太赫兹波对水化结构的影响。

研究小组因此可以产生高强度亚太赫兹波（01太赫兹）脉冲速调管使用光源，从硅胶板的底部照射亚太赫兹波并放置在顶部同轴探头开发了一种在微波波段测量蛋白质水溶液介电常数的系统（图 1）。在这个方法中，矢量网络分析仪产生的微弱微波波段电磁波从同轴探针的尖端刺入样品，检测反射电磁波的信息以评估介电常数。使用一般同轴探头测量介电常数需要样品长度足够长。在本研究中，为了观察亚太赫兹波照射的效果，需要将样品长度缩短至亚太赫兹波穿透蛋白质水溶液的深度。然而，如此短的样本长度会导致多次反射，从而阻碍典型的测量。研究小组重点研究了多个反射信号根据样品的介电常数而变化的现象。他们还发现，通过有意利用多次反射而不是消除它们，可以灵敏地检测亚太赫兹波辐射引起的样品介电常数的微小变化。

蛋清在那里干燥溶菌酶使用粉末，我们详细研究了从水和干溶菌酶相遇到形成稳定水合结构的介电常数的变化。结果，他们发现，需要几个小时到一天的溶菌酶水合结构的稳定化，可以通过亚太赫兹波的照射在几分钟内完成。这些由蛋白质水合进展缓慢和亚太赫兹波辐射的影响引起的变化从未被详细研究过，并且首次使用这种方法得到澄清。

通过将开发的方法与太赫兹光谱相结合的分析，发现水和干溶菌酶相遇后，立即，放松时间

研究小组还利用核磁共振波谱研究了亚太赫兹波照射对溶菌酶样品的影响。当用电磁波照射样品时和当通过热传导加热样品时，源自溶菌酶的NMR信号强度随时间的变化是不同的。我们发现，辐射引起的短期变化与将水和溶菌酶混合长达 1 天后发生的变化相似（图 2）。不仅如此，通过关注溶菌酶结构中每个甲基信号强度的变化，我们发现位于溶菌酶疏水腔周围的甲基发生了显着的运动变化。这表明亚太赫兹波辐射引起的水合状态的变化尤其发生在疏水性空腔中（图2）。

如上所示，在亚太赫兹辐射下结合微波带介电常数测量、太赫兹光谱和核磁共振光谱的综合分析表明，溶菌酶水溶液的亚太赫兹波辐射将最初的含有水且网络塌陷的水合结构改变为网络强化的水合结构，包括高度疏水性区域。

这项研究和开发得到了日本学术振兴会拨款项目新学术领域（研究领域提案类型）“水圈功能材料”（项目编号：JP22H04566，2022-2023 和 JP19H05717，2019-2023）的支持。这项工作得到了科学研究补助金 (B) 的支持（项目编号：JP20H03298，2020-2022）。

（参考文献 1）生物物理学杂志2021，doiorg/101016/jbpj202104013

如果我们能够了解并控制水与生物分子相互作用的微观特性，这将成为下一代生物功能修饰技术。例如，预计亚太赫兹波照射将导致在不改变酶的情况下更快地增强酶功能的技术、在不改变其基因组信息的情况下增加生物体的物质生产能力的技术、针对水合障碍引起的蛋白质异常的医疗技术以及食品和饮料的老化技术的发展。

已出版的杂志：自然通讯
论文标题：亚太赫兹辐射非热加速蛋白质水合
作者：杉山纯一^#，德永雄二^#，菱田正志^#、田中正人、竹内尚、佐藤大辅、今清水正彦^*
#共同主要作者，^*通讯作者
DOI：https://doiorg/101038/s41467-023-38462-0

亚太赫兹（sub-THz），亚太赫兹波

太赫兹是频率10的单位¹²赫兹（1万亿赫兹）。 10¹¹赫兹 - 10¹³Hz频率范围内的电磁波称为太赫兹波，其中10¹²低于Hz的频率范围有时被称为亚太赫兹，该频段的电磁波有时被称为亚太赫兹波。太赫兹波介于微波和红外线之间，兼具无线电波（透明性）和光（直线传播）的特性。它与通信领域的“第六代移动通信系统（6G）”和毫米波频率范围重叠。[返回来源]

保湿

从广义上讲，是由于与蛋白质、离子等溶质分子的相互作用，周围的一组水分子的运动和氢键结构从纯水中的状态发生变化的现象。这样的水称为水合水。众所周知，水合作用会使水分子更难移动或更容易移动。例如，蛋白质中的亲水氨基酸侧链与周围的水结合，使其难以移动。在疏水性表面上，水分子通过氢键形成网络结构而相互结合，使水难以移动。有报道称，在离子周围，在强束缚水之外存在流动性更强的水。这样，水合水的特性和空间范围根据相互作用伙伴的不同而有很大差异。此外，水合的定义根据观察方法的不同而不同，因此可能存在分歧。[返回来源]

介电常数、介电弛豫、弛豫时间

如果分子中存在电偏压（电偶极子），则当施加外部电场时，分子会随着时间改变方向以匹配电场。这种现象称为介电弛豫。如果电场像波一样振荡，分子的运动也会随之振荡。它的振荡方式取决于分子的质量和电偶极子的大小，介电常数显示出差异。该介电常数表示为复数，称为复相对介电常数，介电常数的实部表示外部电场排列分子的程度，介电常数的虚部表示转换了多少热量。介电常数随电场变化的频率而变化，介电常数虚部达到最大值的频率称为弛豫频率，弛豫频率的倒数称为弛豫时间。由于介电常数也根据分子的结合状态而变化，因此可以假设弛豫时间越长，分子的结合越强，弛豫时间越短，分子的结合越松。由于水分子每个分子最多可以有四个氢键，因此在这项研究中，我们认为一组水分子的平均氢键数量的变化会影响介电常数的变化。[返回来源]

氢键

在水中，它是两个氧原子相互作用的键，其间有一个氢原子，如 O-H…O。它不仅可以与水形成，还可以与各种分子如O-HN以及水和氨基酸形成。由于偶极子的性质（其中正电荷和负电荷在单个分子内分开）以及小氢原子的性质，它具有特别强的方向性。当液体中某些分子之间存在氢键时，键合会促进到附近的分子，从而扩大氢键网络。[返回来源]

核磁共振波谱

核磁共振的缩写。一种观察将溶解在水中的蛋白质置于强磁场中时发生的“核自旋共振现象”，并在原子水平上分析其高阶结构和动力学的技术。一种可以在不破坏或冷冻样品的情况下对样品进行分析的分析技术，用于药品、食品、材料和化学等多种领域。[返回来源]

太赫兹光谱

10¹²Hz（=THz，太赫兹）频域中的光谱学。其中，这次使用的方法被称为太赫兹时域光谱。由于频率约为01 THz - 10 THz 的远红外区域光的吸收和相移，10^-12可以研究 s（=ps，皮秒）区域的分子运动。不仅可以观察水分子的集体运动、分子间振动和氢键分离的水的运动，还可以观察蛋白质等生物分子的波动和晶体的晶格振动。[返回来源]

速调管

一种通过根据输入高频波的相位加速电子束来极大地放大和振荡高频波输出的装置。人们已经开发出了具有不同振荡频率、输出等的各种器件，但在本研究中，我们使用了一种可以振荡约 01 THz 的单一高频的器件。一般用于电子加速器、雷达等[返回来源]

同轴探头、矢量网络分析仪

在本报告中，通过连接到同轴电缆尖端的不锈钢同轴线（同轴探头）用矢量网络分析仪产生的 100 MHz - 14 GHz 微波照射样品，并从反射信息获得介电常数。如果相同温度下辐照样品和未辐照样品的测量值存在差异，则意味着目标分子作为一个整体的结构和迁移率由于辐照而发生了变化。[返回来源]

溶菌酶

一种酶，可分解构成细菌细胞壁的多糖。一种球状蛋白质，广泛分布于从动物到植物的多种组织中，其物理性质、结构和功能（包括水合作用）已得到最先进的分析。还已知它可以形成淀粉样原纤维。[返回来源]