Eating a protein that enhances the beetle wings -Expectations for new material development-

Eating a protein that enhances the beetle wings -Expectations for new material development-

Points of research results:

　It is well known that the beetle's upper wing, which has just emerged from the pupa, is white and soft, but after a while it changes to a blAh Ck and hard upper wing. In the process of changing the upper wing, a strong upper wing is formed by the formation of a micro structure inside the upper wing and the chemical reAh Ction at the same time. Although the research so far has been well understood about the chemical reAh Ctions, the formation of the micro structure has not been elucidated. Professor Atsushi Aragaki of the National University of Tokyo University of Agriculture and Technology Graduate School of Engineering, Professor Atsushi Aragaki, Murata Murata, a major in the graduate school, and Professor of David Kisailus at the University of California (Tokyo Agricultural University Global Innovation, Professor (Professor) ContrAh Ctor, the research group of the Japanese beetles focuses on the process of stubborn wings in the Japanese beetle, and has performed detailed analysis of the micro structure of the upper wing and the protein that make up it, and has not been known in the past. The existence of the protein group with charAh Cteristics has been revealed. In this process, it was found that the type of protein that expresses it changes, as the microstructure structure containing protein is thickened inside the upper wing, and the type of protein that expresses there. The results of this study suggested that these proteins are involved in the formation of a layer structure and micro structure related to the strength of the upper wings. In the future, the detailed elucidation of proteins will be elucidated, and it is expected that imitation of this mechanism will lead to the development of sturdy and lightweight biodegradable materials.

The results of this research were published on the web on December 24, 2021, prior to publication in Acta Biomaterialia.Paper name: Unveiling CharAh Cteristic Proteins for the Structural Development of Beetle Elytraural: https: // www.ScienceDirect.Com/Science/Article/PII/S174270612100828X

背景　甲虫は地球上に350,000種以上存在すると言われている非常に多様性に富んだ生物群です。甲虫がこのように繁栄に成功した理由の1つとして、様々な環境ストレスや外敵から身を守る役割を果たす外骨格^注１を持っていることが挙げられます。甲虫の外骨格は、その約90％がキチン^注２とタンパク質で構成されています。また、しなりのある関節部や高度に硬化した角や翅など、多様な特性を実現しているという特徴を持ちます。近年、持続可能な社会の実現に向けて、環境負荷の少ない新材料の開発が期待されている中で、甲虫外骨格の構造形成機構や硬化機構の応用が期待されており、国内外で様々な研究が進められています。近年の研究成果から、外骨格の頑強さや構造は、外骨格中に存在するタンパク質によって制御されていることが考えられています。しかしながら、多数のタンパク質が関与し、複雑に制御されていることが予想される外骨格形成の全体像は未解明でした。

Research system This research is a professor of Atsushi Aragaki of Tokyo University of Agriculture and Technology, Tomoshi Murata, a doctoral program at the same graduate school, a fourth grader of the University of Engineering (at that time), Professor David Kisailus at the University of California, Dr. Jesus Rivera, Dr. Jesus Rivera.Dr. Wen Yang, Professor Yasuyuki Arokane of Junan University, Dr. Mi-Yong Noh, Lawrence Berkeley National Research Institute DilWorth Y.Dr. Parkinson, Harold S. Barnard博士で構成される国際研究グループによって実施されました。研究成果　本研究では、カブトムシ (ニホンカブトムシ：Trypoxylus dichotmus)の外骨格、特に外敵から身を守る役割を果たす「上翅」を対象としました。カブトムシの上翅は羽化直後では白色で軟らかい状態ですが、その後短期間で層状構造やミクロ構造が完成し頑強な上翅となる特性を持ちます (図１A)。研究チームは、この成熟過程に焦点を当て、上翅の構造と強度の変化を調査しました。まず、成熟に伴う上翅断面の構造変化を走査型電子顕微鏡^注3及びCT^注4を用いて観察しました。カブトムシの成熟した上翅は、独立した2層の間を支柱のような構造体が支える形をなしています (図１B、C)。本研究により、この2層構造は羽化後4日目までに形成が完了する様子が観察されました。さらに、ナノインデンター^注5を用いた強度試験の結果、上翅の強度は羽化後24時間までで最も上昇率が高い様子が確認されました。　さらに、成熟過程に伴うタンパク質組成の変化を明らかとするために、羽化直後から羽化後8日経過時点までの様々な段階の上翅からタンパク質を抽出し、電気泳動によって解析を行いました。その結果、成熟に伴って上翅中のタンパク質プロファイルが変化することが明らかになりました (図2A)。そこで、上翅中のどんなタンパク質が存在し、どのように組成が変化していくのかを調査するために、羽化直後の白色の上翅と成熟した黒色の上翅から抽出したタンパク質を、質量分析計を用いて解析し比較プロテオーム解析^注6を行いました。この解析により、成熟前後の上翅から414種類のタンパク質が同定され、その中でも31種類のタンパク質が層状構造やミクロ構造の形成に関与することが示唆されました。　最後に、これら31種類の構造形成・硬化関連タンパク質群の詳細解析を行いました。これらのタンパク質のうち、羽化直後の上翅のみから同定された15種類のタンパク質、及び成熟前後の両段階の上翅から同定された10種類のタンパク質は、特に構造及び強度が急激に変化するタイミングで存在していることから、上翅のミクロ構造形成において重要な役割を果たすと考えられます。そこで、これらのタンパク質に対してアミノ酸配列を基に類似性の評価を行ったところ、それぞれのタンパク質群においてユニークな配列的特徴が見出されました。羽化直後の上翅のみから同定されたタンパク質群においては、グリシンに富んだ比較的親水性の高い配列領域が、成熟前後の両段階の上翅から同定されたタンパク質群においてはアラニン・プロリン・バリンに富んだ比較的疎水性の高い配列領域が発見されました (図2B)。これらのユニークな配列領域は、上翅のミクロ構造形成において機能を発揮していることが考えられます。

In the future, by performing detailed analysis of protein groups found in this study, it is expected that new functions of proteins will be discovered and the entire score of the external skeletal formation mechanism of the beemen outer skeletal formation will be elucidated.In addition, imitating the functions of the protein group identified in this study will lead to the development of sturdy and lightweight biodegradable materials.It may be applied to medical materials and plastic alternative materials using chitin.

Note 1) The external skeleton is also called the epidermis or a cuby chicken in the skeleton structure of a beetle.The upper wing is also one of the external skeletons.Note 2) Chitin is a type of polysAh Ccharide, and is the second most common biological polymer on the earth.Note 3) A scanning electron microscope is a microscope that uses a short -wavelength electron line, and can observe the surfAh Ce structure of several nm objects (1 nm is 1 / 1,000, 1 / 1,000).Note 4) CT is an abbreviation of Computed Tomagraphy.A technology that uses X -rays to imagine the internal structure (cross section) of the object.Note 5) Nanoin dent is a technology that measures the strength and hardness of the material by applying pressure.Note 6) An analysis that comprehensively analyzes and identifies the proteins that exist in the sample and compare them between samples.

◆ Inquiries about research ◆ Professor Atsushi Aragaki (Atsushi Arakaki) Professor Atsushi Aragaki, FAh Culty of Life Functions, Tokyo University of Agriculture and TechnologyPlease) CC.tuat.Ah C.jp

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