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タンパク質結晶の新展開―新しい育成技術から構造解析・応用研究へ―(普及版)

  • New Trends in Protein Crystals (Popular Edition)
2008年刊「たんぱく質結晶の新展開―新しい育成技術から構造解析・応用研究へ―」の普及版。医薬リード化合物、触媒、電子デバイスなどあらゆる分野で注目のタンパク質結晶の結晶化・構造解析・応用を収載!

商品コード: B1057

  • 監修: 高野和文
  • 発行日: 2013年10月4日
  • 価格(税込): 5,616 円
  • 体裁: B5判、326ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0739-8

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  • レーザー照射 / 産業用結晶 / 膜タンパク質 / 成長観察 / X線解析 / モデリング / 熱安定性 / 機能改変 / 創薬 / 不均一触媒

刊行にあたって

 タンパク質を研究していると、タンパク質はなんと複雑でやっかいなものと体感することにしばしば遭遇する。しかし、その複雑でやっかいなものが結晶になる。はじめてその結晶を目にしたとき、その美しさに自然の神秘を感じたことを覚えている。実際、その結晶化のメカニズムは研究者の手に負えない神秘なことかもしれない。でも…。
 「たかがタンパク質結晶化、されどタンパク質結晶化」。最近私がよく心に想うフレーズである。
 今日、タンパク質の立体構造解析が盛んになり、そのためのタンパク質結晶の育成が日々世界中で行われている。しかし結晶化は構造解析過程のひとつの操作にすぎず、結晶が得られ構造が決定されれば、もうそのタンパク質の結晶育成に用はない。「たかが結晶化」である。
 最近、異分野の研究者との出会いからタンパク質結晶化の新しい潮流が生まれている。タンパク質結晶化のためのプロジェクトが発足し、ベンチャーが起業し…。タンパク質結晶育成の技術開発・メカニズム解明が取り組まれている。さらに異分野の研究者によるタンパク質結晶を用いた新たな研究も芽生えている。「されどタンパク質結晶化」である。
 本書では、最近急速に進展しているタンパク質結晶化技術、結晶によって得られるその構造を用いた応用研究から、結晶自体を活用した新しい研究を取り上げる。これまでのタンパク質結晶化や構造解析の専門書とは少し趣向の異なる企画に心がけた。ひとつの共通キーワード(結晶)から異分野連携で新しい研究の流れが創られる。本書を手にした研究者の研究の一助となり、さらに新しい展開が拓けることを期待して。
(「はじめに」より)

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2008年に『たんぱく質結晶の新展開―新しい育成技術から構造解析・応用研究へ―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2013年10月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

高野和文   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 准教授;(株)創晶 顧問
森 勇介   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 教授
安達宏昭   (株)創晶 代表取締役社長
吉村政志   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 准教授
佐々木孝友  大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 名誉教授
髙橋義典   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 特任研究員
杉山 成   大阪大学 大学院工学研究科 客員准教授
油谷克英   (独)理化学研究所 播磨研究所 上級研究員
村上 聡   東京工業大学 大学院生命理工学研究科 分子生命科学専攻 教授
北谷友也   大阪大学 大学院工学研究科  電気電子情報工学専攻 特任研究員
井上 豪   大阪大学 大学院工学研究科 教授
左﨑 元   北海道大学 低温科学研究所 准教授
牧  祥   (独)労働安全衛生総合研究所 健康障害予防研究グループ
村井良多   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻
玉田太郎   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究副主幹
新井栄揮   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究職
本庄栄二郎  (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究員
黒木良太   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究主席
吉川洋史   大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 特任研究員
松村浩由   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 助教
大原高志   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究員
栗原和男   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門 研究副主幹
水口賢司   (独)医薬基盤研究所 バイオインフォマティクスプロジェクト プロジェクトリーダ
長尾知生子   (独)医薬基盤研究所 バイオインフォマティクスプロジェクト プロジェクト研究員
木下誉富   大阪府立大学 大学院理学系研究科 准教授
田中信忠   昭和大学 薬学部 分析センター 准教授
福西快文   (独)産業技術総合研究所 生物情報解析センター
中村春木   大阪大学 蛋白質研究所 附属プロテオミクス総合研究センター センター長
仲西 功   京都大学 大学院薬学研究科 准教授
奥野恭史   京都大学 大学院薬学研究科 准教授
南方聖司   大阪大学 大学院工学研究科 准教授
佐久間俊広  日本電気(株) 基礎・環境研究所
高田俊和   (独)理化学研究所 次世代計算科学研究開発プログラム
北島正人   (株)富士通九州システムエンジニアリング
福岡良忠   三井情報開発(株)
奥村利幸   三井情報開発(株)
坂田恒昭   大阪大学 サイバーメディアセンター 客員教授
春木 満   日本大学 工学部 物質化学工学科 准教授
古賀雄一   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 助教
中野秀雄   名古屋大学 大学院生命農学研究科 生命技術科学専攻 教授
津本浩平   東京大学 大学院新領域創成科学研究科 准教授
田中良和   東京大学 大学院新領域創成科学研究科
越山友美   名古屋大学 物質科学国際研究センター 博士研究員
上野隆史   名古屋大学 大学院理学研究科 助教;PRESTO研究員
細川陽一郎  奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 客員准教授
増原 宏   大阪大学 大学院工学研究科;奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 客員教授
松井拓郎   松下電器産業(株) 先端技術研究所 主任研究員 (現・メルク(株) 化学品事業部門 新技術開発本部 主事)
吉井重雄   松下電器産業(株) 先端技術研究所 主任研究員
山下一郎   松下電器産業(株) 先端技術研究所 主幹研究員
本多龍二   ファルマ・アクセス(株) 代表取締役社長
濱田賢作   ファルマ・アクセス(株) 大阪事業所 取締役

執筆者の所属表記は、2008年当時のものを使用しております。

目次

【第I編 概論】

概論~異分野連携による新技術の創成~
1. はじめに
2. CsLiB6O10の発見から高品質結晶化技術の開発
3. 異分野連携によるタンパク質結晶化技術の研究開発からベンチャー起業へ
3.1 レーザー照射によるタンパク質結晶核発生技術
3.2 溶液攪拌による高品質タンパク質結晶育成技術
3.3 (株)創晶の立ち上げ
4. おわりに

【第II編 結晶化編】

第1章 新しい技術 
1. はじめに
2. レーザー照射による結晶化
3. 2液法による結晶育成
4. 溶液攪拌による結晶育成
5. 結晶化関連ツール
6. おわりに

第2章 産業用結晶の育成技術

1. 無機材料 
1.1 はじめに
1.2 超大型KDP結晶の育成
1.3 非線形光学結晶CsLiB6O10の育成技術
1.3.1 溶液攪拌による高レーザー耐力CLBO結晶
1.3.2 レーザー損傷耐性の評価
1.4 液相エピタキシャル成長法によるGaN結晶育成
1.4.1 低転位・大型GaN結晶の育成
1.5 おわりに

2. 有機材料 
2.1 はじめに
2.2 有機材料の結晶作製
2.3 有機非線形光学材料DASTの結晶作製
2.4 デバイス応用を視野に入れた高品質結晶化
2.5 結晶の形状制御
2.6 おわりに

第3章 試料の調整・評価

1. 概略
1.1 はじめに
1.2 タンパク質結晶化に必要な試料の調整
1.2.1 試料の大量調整
1.2.2 試料の均一性
1.2.3 試料の安定性
1.2.4 試料の情報
1.3 タンパク質結晶化に必要な試料の性状
1.3.1 純度
1.3.2 濃度
1.3.3 分散状態

2. 結晶化試料の円二色性(CD)と熱測定(DSC)による評価
2.1 はじめに
2.2 タンパク質の溶液状態での特性
2.3 CD(円二色性)
2.4 DSC(示差走査熱量計)
2.5 DSCによる網羅的測定による実測例

3. 膜タンパク質
3.1 はじめに
3.2 細胞膜の組成と構造およびその可溶化
3.3 界面活性剤による可溶化と変性の違い
3.4 界面活性剤を選ぶ際に考慮すべきパラメーター
3.4.1 溶解度
3.4.2 ミセル濃度
3.4.3 ミセルサイズ
3.4.4 他の物理的パラメーター
3.5 界面活性剤の種類
3.5.1 イオン性界面活性剤
3.5.2 非イオン性界面活性剤
3.6 試料の評価

第4章 従来の結晶化法 
1. タンパク質の結晶化
2. 一般的なタンパク質の結晶化法
2.1 蒸気拡散法
2.2 バッチ法
2.3 透析法
2.4 界面拡散法

第5章 外的因子制御

1. 微小重力下での結晶化 
1.1 はじめに
1.2 ヒト由来造血器型PGD合成酵素についての宇宙実験の概要
1.3 H-PGDSの結晶化に関するSTS-107宇宙実験
1.3.1 種結晶安定化条件の検索
1.4 第2回および第3回ロシア宇宙実験(H-PGDS)
1.4.1 ゲルチューブ法によるヒト由来H-PGDSの結晶化(地上での予備実験)
1.4.2 ISSを使った宇宙空間を利用しての結晶化
1.4.3 宇宙で得られたMg2+結合型Native結晶のX線構造解析
1.5 今後の宇宙実験

2. 圧力 
2.1 はじめに
2.2 溶解度に及ぼす圧力効果
2.3 成長カイネティクスに及ぼす圧力効果
2.4 おわりに 

3. 強磁場中でのタンパク質結晶成長
3.1 はじめに
3.2 超伝導マグネットの装置概略
3.3 磁気力分布
3.4 ボア内部の温度管理
3.5 タンパク質溶液の磁気浮上と結晶化プロセス
3.6 磁気アルキメデス効果
3.7 浮上結晶の品質
3.8 浮上結晶と磁気力対流について

4. 温度 
4.1 はじめに
4.2 TAON(Temperature At Once)
4.3 TAONを用いた結晶育成例
4.4 温度スクリーニング
4.5 温度降下法

第6章 抗体を用いた結晶化 
1. はじめに
2. なぜ抗体を用いるか?
3. 結晶化に適した抗体は?
4. 抗体を用いた結晶化の実際
4.1 目的タンパク質の調製
4.2 抗体の取得
4.3 抗体(IgG)からFabの切り出し
4.4 目的タンパク質と抗体(Fab)複合体の調製
4.5 複合体試料の結晶化およびデータ収集
4.6 複合体の構造決定
4.7 複合体解析の実施例
5. おわりに

第7章 膜タンパク質の結晶化 
1. はじめに
2. 膜タンパク質結晶におけるターゲット選びと大量発現系の構築
3. 膜タンパク質結晶
3.1 I型結晶
3.2 II型結晶
3.3 III型結晶
4. 膜タンパク質の結晶化
5. 膜タンパク質に特有な結晶化方法
5.1 モノクローナル抗体複合体での結晶化法
5.2 水溶性タンパク質融合法
5.3 Lipid Cubic Phase法
5.4 Bicelle法
6. 膜タンパク質結晶構造解析と問題点

第8章 成長観察・評価 
1. はじめに
2. 分子間相互作用
3. 結晶周囲の濃度分布
4. 結晶の表面モルフォロジーと結晶中の格子欠陥
5. おわりに

第9章 タンパク質結晶加工 
1. はじめに
2. 193nm深紫外レーザーを用いたタンパク質結晶の加工
3. 近赤外フェムト秒レーザーを用いたタンパク質結晶の加工
3.1 フェムト秒レーザーアブレーションの特徴
3.2 フェムト秒レーザー加工によるタンパク質単結晶成長誘導
4. おわりに

【第III編 構造解析編】

第1章 X線結晶構造解析 
1. 緒言
2. X線結晶構造解析をはじめる前に―分解能について―
3. タンパク質のX線結晶構造解析の現状
3.1 X線回折測定
3.2 回折強度データ処理
3.3 構造解析
4. X線結晶構造解析の制約
5. 正しい構造であることを確認することの重要性

第2章 中性子 
1. 中性子によるタンパク質の構造解析の歴史と概要
2. 中性子構造解析の測定原理
3. 中性子構造解析によってわかること
3.1 解離基の様子
3.2 水素結合
3.3 水和構造
3.4 生体水素水和水データベース(HHDB)
4. 中性子解析の実際
4.1 中性子を利用することができる施設
4.2 測定の実際
5. 中性子構造解析における諸問題とその解決
5.1 結晶の大型化
5.2 タンパク質の重水素化
6. 中性子構造解析の今後
6.1 水素・水和水の観測と創薬研究
6.2 中性子回折とX線回折の相補的な利用による立体構造解析
7. おわりに

第3章 タンパク質立体構造のモデリング 
1. はじめに
2. モデリングがどのように役に立つのか
2.1 立体構造解析の支援
2.2 機能解析の支援
3. 立体構造解析支援のための基礎技術
3.1 配列レベルでのドメイン同定
3.2 二次構造、コイルドコイル構造、膜貫通部位、ディスオーダー領域の予測
3.2.1 二次構造予測
3.2.2 コイルドコイル構造の予測
3.2.3 膜貫通αへリックスの予測
3.2.4 ディスオーダー領域の予測
3.3 モデリング
3.3.1 フォールド認識法による鋳金タンパク質の選定と配列-構造アライメント
3.3.2 構造保存領域のモデリング
3.3.3 ループ領域のモデリング
3.3.4 側鎖のモデリング
3.3.5 構造の最適化と評価
4. 機能解析支援のための基礎技術
5. おわりに

【第IV編 実用編】

第1章 X線結晶構造解析を利用した医薬品創出 
1. はじめに
2. 医薬品候補化合物の最適化
3. 蛋白質のX線構造解析における技術革新
4. Structure Based Drug Design(SBDD)
5. SBDDの実例―アデノシンデアミナーゼ阻害剤の創出
6. SBDDの課題と将来
7. おわりに

第2章 熱帯熱マラリア原虫由来加水分解酵素の結晶構造解析に基づく種選択的阻害剤のデザイン 
1. はじめに
2. 既存の抗マラリア薬
2.1 キニーネ及び抗マラリア薬
2.2 葉酸代謝拮抗型抗マラリア薬
2.3 その他の抗マラリア薬
2.4 抗マラリア薬開発における問題点
3. S-アデノシル-L-ホモシステイン加水分解酵素
4. 実験
4.1 PfSAHHの発現・精製・結晶化
4.1.1 PfSAHHの結晶化成功の鍵
4.2 PfSAHHの回折強度データ収集と結晶構造解析
4.2.1 PfSAHHの回折強度データ収集成功の鍵
5. 結果と考察
5.1 PfSAHH/Ado複合体の立体構造
5.2 PfSAHHのヌクレオシド型阻害剤結合部位
5.3 ヌクレオシド型SAHH阻害剤の種選択性
5.4 部位特異的置換実験による仮説の検証
6. 今後の展開

第3章 創薬バリューチェインによるIn silico創薬に関する研究 
1. はじめに
2. 創薬バリューチェインの構築
3. 通常のIn Silico探索法の現状とその問題点
4. 新規なインシリコ創薬の手法の開発
4.1 Multiple target screening(MTS)法
4.2 Docking score index(DSI)法
5. 創薬バリューチェインでの実施例
6. おわりに

第4章 熱安定性の向上
1. はじめに
2. 好熱性蛋白質の結晶構造解析
2.1 疎水的相互作用
2.2 水素結合
2.3 イオン結合
2.4 変性状態のエントロピーの減少
2.5 構造的歪みの解消
2.6 オリゴマー形成
2.7 疎水的アミノ酸残基の露出表面積の減少とパッキングの強化
3. 熱安定化変異体の結晶構造解析
4. 系統的・網羅的な変異蛋白質の結晶構造解析
5. 熱安定性の向上
6. おわりに

第5章 酵素の機能改変における結晶構造の役割 
1. はじめに
2. 「構造から機能を辿る」アプローチ
3. 「機能から構造を辿る」アプローチ
3.1 指向性進化工学
3.2 網羅的ライブラリースクリーニング
4. おわりに

第6章 抗体:結晶構造と熱力学が語るその緻密なアーキテクチャ 
1. 抗体
2. 抗体の分子認識機構
2.1 抗体の構造
2.2 抗原抗体相互作用の特徴
2.3 モデル抗体を用いた分子認識機構解析:特にTyrが特異性・親和性創出に果たす役割について
2.4 抗体の試験管内機能改良が明らかにした相互作用の微調整:抗原との相互作用界面だけが重要であるわけではない
3. ヒト化抗体:VH-VL相互作用の制御
4. 抗原認識領域を支える領域の役割:Vernier残基
5. シガトキシン抗体:ポリエーテル化合物をどのように認識するか
6. おわりに

第7章 架橋化蛋白質結晶の不均一触媒への展開 
1. はじめに
1.1 架橋化蛋白質結晶の歴史
1.2 架橋配位子の種類、反応条件、および架橋部位の構造
2. 不均一触媒としての利用
2.1 加水分解酵素(プロテアーゼ)
2.2 脱水素酵素
2.3 その他の酵素
2.4 CLPCの触媒活性向上を目指した研究
2.5 架橋化蛋白質結晶の機能改変
3. 医療への応用
4. カラム担体としての利用
5. バイオセンサーの作成
6. 有機溶媒中での蛋白質構造決定
7. 将来の展望

第8章 プロテインチップ 
1. はじめに
2. 昆虫ウイルス由来の多角体蛋白質結晶
3. レーザーによる多角体の配列方法
4. おわりに

第9章 ナノエレクトロニクスデバイス
1. はじめに
2. バイオミネラリゼーション
3. 自己組織的配置に向けた機能性ペプチド付加
4. タンパク質の二次元規則配列化
5. 単一分子の基板上配置
6. 電子デバイスへの応用
7. おわりに

【第V編 付録(ベンチャー企業)】

第1章 株式会社創晶 
1. はじめに
2. 結晶化受託ビジネス
3. 結晶化技術と結晶化ツール
4. おわりに

第2章 X線構造解析を支援するファルマ・アクセス株式会社 
1. 創薬を支援するX線構造解析
1.1 SBDDの基盤はX線結晶構造解析
1.2 Fragment-based Screening(FBS)
2. ハイスループットX線結晶構造解析
2.1 結晶の作製
2.2 回折強度測定の自動化
2.3 構造解析
2.4 ハイスループットX線結晶構造解析でのFBSの例
3. ファルマ・アクセスの取組み
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