ソフトマターの水和状態が自己組織化にどう関与しているのか？

　水は言うまでもなく生命にとって最も重要な物質である。生命に対する水の重要性を考える上では、分子レベルでの生体分子と水分子との相互作用の物理的理解が重要である。それにもかかわらず、
“分子表面の水（水和水）はバルクの水とは構造やダイナミクスは異なるのか？”、
“どの程度の水和水が存在するのか？”、
“細胞中の水は普通の水とは異なるのか？”、
“水の水素結合ネットワーク構造の形成は、水中での化学反応や分子間相互作用にどう関わるのか？”　
といったことすら（驚くべきことに）未だにほとんどわかっていない。

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　これはもちろん、水の物理的性質の特殊性や複雑さから来るものなのであるが、それと同時に、これまで水を分子レベルで研究する決定的な手法が欠けていたということも原因として挙げられる。その中でごく近年、テラヘルツ分光法を用いることで実験的に詳細に分子の水和状態が観測できることが明らかとなりつつある。テラヘルツ領域の光（THz=10^12/s）を用いた分光を行うと、サブピコ秒～ピコ秒の水分子のダイナミクスを詳細に観測できるため、弱く影響を受けている水まですべて含めて水和水を観測し、その物理状態を明らかにできる。テラヘルツ光は長い間発生と検出が難しく未知の光と言われてきたが、ここ20年ほどの技術の進歩によりようやくこれを用いた分光が可能となりつつある。

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　そこで実際に我々は、このテラヘルツ分光法をリン脂質膜溶液に適用し、脂質膜表面の水和状態の観測を行った。さらにX線散乱による膜の積層構造との比較を行った結果、従来の手法で見つかっていた水和水（結合水）の4~5倍もの量の水分子が実際には脂質膜の水和効果の影響を受けているということを、世界で初めて実験で実証することに成功した。この水和層は表面から1~2nmに及ぶが、これはソフトマターの自己組織化に関わる相互作用（van der Waals相互作用や静電相互作用）と同等の距離であるため、こういった相互作用が水和状態に依存し、水和状態がソフトマターの自己組織化に大きく関わっている可能性を示唆している。水和と自己組織化メカニズムの関係を探っていくことが重要であろう。

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　そこで次に温度変化によって自己組織化構造を変化させる界面活性剤をもちいて、構造変化に伴って水和状態がどう変化するのかを調べた。すると予想通り、水和状態は構造相転移に伴って大きく変化することが分かった。

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　またさらに踏み込んで、生体膜の機能である膜融合と水の関係がどうなっているのか調べた。膜融合はラメラ構造から逆ヘキサゴナル構造へと脂質が相転移することで引き起こされると考えられている。この相転移を起こす脂質と起こさない脂質それぞれの水和状態をテラヘルツ分光により調べると、脂質の化学構造の変化はわずかながら水和状態は全く異なることが分かった。湿度変化によって脂質乾燥膜の水和状態をコントロールしたときの構造変化を微小角入射X線散乱により測定したところ、いずれの脂質もラメラ－逆ヘキサゴナル転移を示した。しかし、その相転移点における湿度は大きく異なった。このことは脂質の違いによる水和状態の違いによってこの相転移が起こる湿度が異なることを示している。つまり、この自己組織化構造の変化に周囲の水が関与していることを示唆している。MDシミュレーションを用いて水和状態の違いの原因を探ったところ、脂質の親水基に直接結合した水の状態がその外側に広がる水の水素結合状態に大きく関与することを明らかにできた。

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​このような長距離に渡る水和層の状態は、タンパク質の安定化にも関わる。タンパク質の安定化剤や変性剤の水和をテラヘルツ分光で調べると、水の運動を束縛する分子ほどタンパク質を安定化し、変性させる分子の場合、水の運動をバルク水よりも加速させることが分かった。すなわち、添加分子は水の状態変化を通して間接的にタンパク質の安定化に関与しているということを示唆している。

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　これらの結果はテラヘルツ分光を用いることで、弱く影響を受けた水まですべてを観測したからこそ見えてきた結果である。

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リン脂質膜の水和状態について
           M. Hishida, K. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 106, 158102, (2011)

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界面活性剤の水和状態と構造相転移の相間について
          M. Hishida, K. Tanaka, J. Phys.: Condens. Matter 24, 284113 (2012).  

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脂質の違いによる水和状態の変化が膜融合に関連した構造相転移にどう関与しているか
          M. Hishida, K. Tanaka, Y. Yamamura, K. Saito, J. Phys. Soc. Jpn., 83, 044801 (2014).

Y. Higuchi, Y. Asano, T. Kuwahara, M. Hishida, ​Langmuir, 37, 5329–5338 (2021).

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タンパク質の安定化剤・変性剤の水和と安定化効果の関係

M. Hishida, R. Anjum, T. Anada, D. Murakami, M. Tanaka,  J. Phys. Chem. B, 126, 2466–2475 (2022).

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​高分子の水和状態と生体親和性について

T. Tominaga, M. Hishida, D. Murakami, Y. Fujii, M. Tanaka, H. Seto, J. Phys. Chem. B, 126, 1758–1767 (2022).

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Water is, of course, the most important substance for life. In considering the importance of water to life, it is important to have a physical understanding of the interaction between biomolecules and water molecules at the molecular level. Nonetheless, even below issues are (surprisingly) still unknown.
"Is the structure and dynamics of water at the molecular surface (hydration water) different from that of water in the bulk?" ,.
"How much hydration water is present?" ,.
"Is water in cells different from normal water?",
"How does the formation of the hydrogen-bond network structure of water relate to chemical reactions and intermolecular interactions in water?"　
 

　This is, of course, due to the uniqueness and complexity of the physical properties of water, but it is also due to the lack of a definitive method to study water at the molecular level. In recent years, it has become clear that the hydration state of molecules can be experimentally observed in detail by using terahertz spectroscopy. Spectroscopy using light in the terahertz region (THz=10^12/s) allows us to observe the dynamics of water molecules in detail in sub-picosecond to picosecond time scales, and thus we can observe hydrated water, including weakly affected water, and clarify its physical state. Terahertz light has long been regarded as an unknown light that is difficult to generate and detect, but advances in technology over the past decades or so have finally made it possible to use it for spectroscopy.

 

　Recently, we have applied terahertz spectroscopy to phospholipid membrane solutions and observed the hydration state of the lipid membrane surface. As a result of comparison with the stacking structure of the membrane by X-ray scattering, we have succeeded in demonstrating for the first time in the world that the hydration effect of the lipid membrane actually affects four to five times as many water molecules as the bound water found by conventional methods. This hydration layer extends 1~2 nm from the surface, which is the same distance as the interactions involved in the self-assembly of soft matter (van der Waals interaction, electrostatic interaction etc.), suggesting that these interactions depend on the hydration state and that the hydration state may play a significant role in the self-assembly of soft matter. It will be important to explore the relationship between hydration and self-assembly mechanisms in the future.

 

　Next, we used a surfactant that changes the self-assembled structure with temperature change to investigate how the hydration state changes with the structural change. As expected, we found that the hydration state changed significantly with the structural phase transition.

 

　We also investigated the relationship between water and membrane fusion, which is a function of biological membranes. Membrane fusion is thought to be caused by the phase transition of lipids from lamellar to inverse hexagonal structures. The hydration states of lipids that undergo this phase transition and those that do not were investigated by terahertz spectroscopy, and it was found that the hydration states were completely different, even though the chemical structures of the lipids changed only slightly. When the hydration state of the dried lipid films was controlled by changing the humidity, the structural changes were measured by grazing incidence X-ray scattering. Both lipids showed a lamellar-reverse hexagonal transition. However, the humidity at the phase transition point was very different, indicating that the humidity at which this phase transition occurs depends on the hydration state of the different lipids. In other words, this suggests that the surrounding water is involved in the change of the self-assembled structure. Using MD simulations to explore the cause of the differences in the hydration state, we were able to show that the state of water bonded directly to the hydrophilic groups of the lipid plays a significant role in the hydrogen bonding state of the water spreading outside of them.

     This long-range hydration layer is also involved in protein stabilization. Terahertz spectroscopy studies of the hydration of protein stabilizers and denaturants show that the more molecules that bind the motion of water, the more they stabilize the protein. On the other hand, the denaturants accelerate the motion of water over bulk water. This means that the added molecules are indirectly affect the protein stabilization through changes in the state of the water.

 

　These results were succeeded for the first time by using terahertz spectroscopy to observe hydration water including the weakly affected water.

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THz spectroscopy to measure lipid membrane hydration
               M. Hishida, K. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 106, 158102, (2011)

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Relation between hydration and phase transition of  surfactant

          M. Hishida, K. Tanaka, J. Phys.: Condens. Matter 24, 284113 (2012).  

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How changes in the hydration state of different lipids are involved in structural phase transitions related to membrane fusion
               M. Hishida, K. Tanaka, Y. Yamamura, K. Saito, J. Phys. Soc. Jpn., 83, 044801 (2014).

Y. Higuchi, Y. Asano, T. Kuwahara, M. Hishida, ​Langmuir, 37, 5329–5338 (2021).

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Relationship between hydration of protein stabilizers and denaturants and their stabilizing effects

M. Hishida, R. Anjum, T. Anada, D. Murakami, M. Tanaka,  J. Phys. Chem. B, 126, 2466–2475 (2022).

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Hydration States of Polymers and Biocompatibility

T. Tominaga, M. Hishida, D. Murakami, Y. Fujii, M. Tanaka, H. Seto, J. Phys. Chem. B, 126, 1758–1767 (2022).