アブダクチン

アブダクチンは二枚貝の蝶番靭帯に見られる天然の弾性タンパク質です。レジリン、クモ糸、エラスチンと比較して、圧縮可能な弾性を持つ唯一の天然エラストマーであるという点でユニークです。^[1]その名前は、二枚貝の貝殻の外転筋として機能することから提案されました。

アブダクチンの特性は、二枚貝の種によって異なり、その種の特定の使用例やその種が生息する環境によって異なります。これらの違いにもかかわらず、外転筋と反対に作用するという一般的な機能は、レジリンが貝殻を開いた形状に強制する点で同じです。

アブダクチンの特定のタンパク質配列の特許は米国特許商標庁によって承認されていますが、2022年4月現在、アブダクチンの大規模な商業用途はありません。

二枚貝の内側ヒンジ靭帯内のタンパク質のアミノ酸組成は、1967年にロバート・E・ケリーとロバート・V・ライスによって初めて発見され、その後、このタンパク質にアブダクチンという名前が提案されました。^[3] これは、二枚貝の殻のアブダクターとしての機能に由来しています。ケリーとライスは、このタンパク質に、一般的なタンパク質であるコラーゲンを示すアミノ酸であるヒドロキシプロリンとヒドロキシリジンが存在しないことを発見しました。さらに分析したところ、アブダクチンは、グリシン、メチオニン、フェニルアラニンという3つの主要なアミノ酸で構成されており、分子全体で複数の繰り返し配列になっていることがわかりました。^[4]これは、マゼランガイで発見されました。アブダクチンはエラスチンやレジリンに似ていますが、グリシンとメチオニンの濃度が高いという主な違いがあります。^[3]グリシンやメチオニン、その他のアミノ酸残基の濃度は種によって異なります。例えば、Argopecten irradiansでは、グリシンとメチオニンはそれぞれタンパク質の57.3%と14.3%を占めています。^[4]アブダクチンに見られる高濃度のメチオニンは、天然の弾性タンパク質では一般的ではないため、アブダクチンをユニークなものにしています。

MGGG、FGGMG、FGGMGGG、GGFGGMGGG、FGGMGGGNAGなどのペプチド配列は、ペプチド鎖全体で繰り返されます。^[3]これらのペプチド配列にはすべてグリシンが含まれていることに注意してください。さらに、Argopecten irradiansでは、ペンタペプチドFGGMGが分子全体で繰り返されています。^[5]アブダクチンの主なペプチド配列の特徴は、すべてグリシン残基を含む多くの繰り返し配列が存在することです。これはエラスチンの構造に似ています。

アブダクチンは軽度に架橋されており、それが高い弾力性をもたらしている。架橋の原因は研究されているが、具体的な説明はなされていない。ペプチド鎖にチロシンが存在しないことから、レシリンのようにジチロシン結合を介して架橋が形成されていないことが示唆される。 ^[5]架橋のメカニズムに関する仮説は、さまざまな研究者によって提唱されている。架橋の潜在的な原因の 1 つは、メチオニン二量体、一部の種では ½ シスチン、またはジスルフィド結合を含む他の同様のアミノ酸の存在によるもので、これがペプチド鎖間の架橋を形成する。^{[2] [3]}別の研究では、3,3'-メチレンビスチロシンがアブダクチンの架橋の原因である可能性があることが発見された。これは、レシリンとエラスチンの架橋の原因がチロシンとリジン残基であるのと同様である。^[6]

アブダクチンは、顕微鏡検査とX線回折によってそれぞれ無細胞かつ非晶質の構造であることが発見されている。^[2]アブダクチンは不溶性であり、ヒンジ靭帯からの分離が困難なため、二次構造や階層構造など、タンパク質レベルでの構造に関する研究が不足している。^[2]アブダクチン由来の合成ペプチドに関する最近の研究では、水溶液中ではポリプロリンIIヘリックス構造、疎水性溶媒中ではタイプII βターン構造をとることがわかった。^[1]より長いアブダクチン様ペプチド鎖では、両方の構造の組み合わせも観察される。^[1]

アブダクチンの用途は、世界中のさまざまな軟体動物の種によって異なります。ホタテガイやヤスリガイのように、殻を開閉する反復運動を使って泳ぐことができるものもあり、その運動により急速に水を吸い込み、吐き出します。^[7]他の軟体動物の種では、アブダクチンは通常、2つの殻が合わさってヒンジを形成する部分に存在します。^[8]ホタテガイが運動のために効率的なエネルギー回収を必要とするのとは異なり、アピルシアなどの種は、殻を開閉する際の安定性を優先してエネルギー回収を減らす必要があります。^[8]アブダクチンは、この目的で機械的エネルギーを蓄えるために使用されるレシリウム構造の中にあります。^[7]アブダクチンの有効性は、貝殻の大きさや形など、形態学的側面に大きく影響されます。^[7]軟体動物におけるアブダクチンの働きに影響を与える他の要因としては温度があり、周囲の環境温度が下がると働きも低下します。また、哺乳類の乳酸に似た働きをするオクトピンの存在も影響します。^[7] ハマグリの弾性体構造の実現は振動系としてモデル化することができ、生物の殻を開くために外転筋に逆らって働きます。弾性体が殻を強制的に開き、外転筋が殻の閉じを制御します。^[7]

アブダクチンなどの圧縮性エラストマータンパク質の構造と機能に関するデータはほとんどありません。これらのタンパク質の根本的な構造的特徴を理解することで、高度にカスタマイズされた「圧縮性」ハイドロゲルの新しいクラスを開発できる可能性があります。アブダクチンなどの圧縮性天然エラストマーの根本的な構造的および機能的特徴に関する知識を得ることで、カスタマイズされた材料特性を備えた新しい圧縮性バイオエラストマーにつながる可能性があります。^[9]

ハースト指数をフローリー指数として解釈すると、水はアブダクチンペプチドにとって貧弱な溶媒であることがわかります。^[10]アブダクチンのような不溶性タンパク質の機能的な溶媒環境を予測することは、タンパク質の疎水性とおそらく架橋された性質が周囲の溶媒よりも極性の低い内部環境を示唆するため、特に困難です。^[9]

アブダクチンを説明するために、平衡状態で伸びたコンフォメーション（PPII）と折りたたまれたコンフォメーション（βターン）の両方が存在することが以前に示唆されていました。^[9]円二色性（CD）スペクトルは、AMP1（25アミノ酸のアブダクチン配列）が258 °Cで優勢な無秩序なコンフォメーションを採用し、0 °Cと458 °CでポリプロリンII（PPII）コンフォメーションを採用し、少量のタイプII βターンコンフォマーを採用する可能性があることが明らかになりました。^[9]この観察は、AMP1が温度の上昇とともに優勢な無秩序なコンフォメーションから周期的な伸びたPPIIコンフォメーションに変化するという逆温度転移を起こすことを示しています。^[9]アブダクチンの二次構造は、いくつかの合成ペプチドの核磁気共鳴（NMR）とCD研究によっても調査されました。合成アブダクチンベースのペプチドのほとんどは、水溶液中では左巻きヘリックスであるポリプロリン II (PPII) 構造をとるが、より疎水性 (極性が低い) の溶媒であるトリフルオロエタノール (TFE) 中ではタイプ II βターンをとる。PPII とタイプ II βターンの共存および温度誘起マルチコンフォメーション遷移は、ヘキサフルオロイソプロパノール (HFIP) 中の (FGGMGGGNAG)4 などのより長い合成アブダクチン様ペプチドで観察された。^[11] AB12 の二次構造は、CD スペクトルを二次構造が既知の他のペプチドと比較することによって定性的に分析された。AB12 の水溶液の CD スペクトルは、200 nm で強い負のピークを示し、約 218 nm で正の値に向かう傾向を示し、これは PPII ヘリックスの特徴である。約 208 nm の等色性点は、PPII 構造と他のコンフォメーションの間に平衡が存在することを示唆している。さらに、218 nmのピークがゼロを超えることはないことから、スペクトルは不規則構造とPPIIヘリックスの共存を示唆している。約225 nmに小さな負のバンドが観察されるが、これはおそらく配列中の芳香族残基であるフェニルアラニンに起因するものと思われる。^[11]

温度が二次構造に与える影響が研究された。温度が上昇すると、200 nmと218 nmのCDスペクトルのピークの大きさは両方とも減少したが、これはPPIIヘリックス構造に典型的である。さらに、温度による構造の変化は完全に可逆的で、ヒステリシスは見られなかった。エラスチンやタイチンなどのエラストマータンパク質に広く存在するPPII構造は、これらのタンパク質の弾性を決定する上で重要な役割を果たしていると考えられている。^[11]アブダクチンベースのタンパク質は、可逆的な上部臨界溶解温度（UCST）挙動を示し、ゲル状構造を形成した。高温では、不可逆的な凝集挙動を示した。熱応答性は、薬物のカプセル化と放出を温度変化によって簡単に制御できるため、薬物送達システムのエンジニアリングに有用な特性である。^[11]

アブダクチンベースのタンパク質は細胞適合性があり、細胞はアブダクチンベースのタンパク質上に最初に播種されたときにゆっくりと広がりました。^[11] LIVE/DEADアッセイでは、ヒト臍帯静脈内皮細胞がアブダクチンベースのタンパク質上で2日間培養された後、生存率が98±4％であることが明らかになりました。アブダクチンベースのタンパク質上での最初の細胞の広がりは、ウシ血清アルブミン上での広がりと同様でした。したがって、これらの研究は、細胞適合性と温度に対する応答により、組織工学および薬物送達アプリケーションにおけるアブダクチンベースのタンパク質の可能性を示しています。^[11]

天然アブダクチンの引張弾性率は1.25 MPaで、エラスチン（0.3〜0.6 MPa）よりも高いが、レジリン（0.6〜2 MPa）と同程度である。^[11]圧縮弾性率は4 MPaで、レジリン（0.6〜0.7 MPa）よりも高い。天然アブダクチンの優れた機械的特性は、より幅広い用途に利用できるタンパク質ベースの生体材料を設計する可能性を秘めている。^[11]

AB12 の溶液 (Milli-Q 水中 10 mg/mL) は、室温から低温 (氷上でインキュベート) に冷却すると透明から不透明に変化することが視覚的に観察されました。動的光散乱 (DLS) を使用して、AB12 の温度応答性をさらに調査しました。タンパク質溶液を 2 °C から 5 °C に加熱すると、AB12 の流体力学的直径 (DH) が急激に減少することが観察されました。この現象は、上部臨界溶解温度 (UCST) 挙動を示しています。低温での DH の変化は可逆的で、ある程度のヒステリシスを示しました。35 °C から DH が緩やかに増加し、57 °C (凝集温度) から DH が急激に増加しました。可逆的な UCST 挙動と比較して、凝集温度で発生した遷移は不可逆的でした。^[11]

アブダクチンの場合、圧縮されると、伸長⇄折り畳みの平衡状態が折り畳まれた構造にシフトし、エントロピーが減少する。圧縮されていないマルチコンフォメーション状態は、圧縮力が除去された後にエントロピーが単純に増加することによって回復する。これはエラスチンの挙動とは逆である。^[12]

アブダクチンの使用と実装に特化した最初の特許は、2000年10月3日に米国特許商標庁に受理されました（特許番号6,127,166）。^[13]問題の特許は、生物学的手段によって製造されるアブダクチンの特定のタンパク質配列とポリマーの可能な用途を詳述しており、他の天然ポリマーのコポリマー、布地材料、または抗体と結合する材料としての可能な用途を示唆しています。^[13] 2022年4月現在、アブダクチンまたは関連するポリマー配列から派生したポリマーの大規模生産も応用も行われていません。