JP5780721B2 - Protein crystal growth apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、タンパク質結晶成長装置、及びその方法に関する。   The present invention relates to a protein crystal growth apparatus and a method thereof.

タンパク質は、複雑な生命現象を支える根幹的な働きを担っており、例えば、多くの疾病・疾患はタンパク質の様々な働きの異常(機能異常)に起因することが知られている。そこで、例えば、特定の疾患に関連又は関与するタンパク質の構造及び機能を解析することにより、そのタンパク質の働きを調節・制御することが可能な化合物等を予見ることができ、創薬プロセスの機関と費用を大幅に短縮することが可能と考えられている。   Proteins play a fundamental role in supporting complex biological phenomena. For example, it is known that many diseases and diseases are caused by abnormalities (functional abnormalities) in various functions of proteins. Therefore, for example, by analyzing the structure and function of a protein that is related to or involved in a specific disease, it is possible to foresee compounds that can regulate and control the function of the protein. It is considered possible to significantly reduce costs.

かかるタンパク質の立体構造を決定するために、現在、最も頻繁に使用されている手法は、タンパク質の単結晶を試料として用いたX線回折法によるX線構造解析である。これまで、非常に多くのタンパク質の立体構造が原子レベルで決定され、生命科学の理解に多大な貢献をもたらしてきた。   In order to determine the three-dimensional structure of such a protein, the most frequently used technique at present is an X-ray structure analysis by an X-ray diffraction method using a protein single crystal as a sample. Until now, the three-dimensional structure of many proteins has been determined at the atomic level, and has contributed greatly to the understanding of life science.

一方、タンパク質のなかには、それ自体、又は、それを含んだものが酵素として生体内の種々の反応を引き起こすが、タンパク質の酵素活性に関与するのは、殆どの場合、水素原子(プロトン)、水素イオン、水分子中の水素原子であり、これらの水素化学種を観測することが、タンパク質が酵素として働く作用機序の解明には必須である。   On the other hand, some or all of proteins cause various reactions in the living body as enzymes, but most of them are involved in the enzyme activity of proteins, such as hydrogen atoms (protons), hydrogen Observation of these hydrogen chemical species, which are hydrogen atoms in ions and water molecules, is essential for elucidating the mechanism of action of proteins as enzymes.

しかし、上述のX線回折法は、X線と原子内の電子による散乱を利用するものであり、また、原子番号が大きい原子ほど回折強度への寄与が大きくなるため、水素原子の電子によるX線の散乱は、通常、その検出は非常に困難か、或いは、検出限界以下となり観測することができない。特に、電子を欠いたプロトンの観察は原理的に不可能である。これに対し、回折手法のなかでも、中性子(線)回折法を用いた中性子構造解析は、中性子(線)の質量がプロトンと同等であって弾性散乱を生じ易いことから、水素原子やプロトンに対する回折強度が比較的大きく、そのため、タンパク質中の水素原子やプロトンの位置情報(原子座標)を高い精度で観測することができる利点がある。   However, the above-described X-ray diffraction method uses X-rays and scattering by electrons in the atom, and since the contribution to the diffraction intensity increases as the atomic number increases, X by the electrons of the hydrogen atom. Line scattering is usually very difficult to detect, or below the detection limit and cannot be observed. In particular, observation of protons lacking electrons is impossible in principle. On the other hand, neutron structure analysis using neutron (line) diffractometry among diffraction techniques is equivalent to protons and easily produces elastic scattering. Since the diffraction intensity is relatively large, there is an advantage that position information (atomic coordinates) of hydrogen atoms and protons in proteins can be observed with high accuracy.

このような中性子回折法は、中性子源から放出される中性子をコリメートしてタンパク質中に存在する原子核に照射させ、その中性子の散乱角度及び強度を測定することにより、タンパク質中の水素原子やプロトンの位置情報を選択的に取得し、それらを含むタンパク質の立体構造を解析する。このとき、中性子強度(フラックス:1秒間に単位面積を通過する中性子数)はX線強度と比べてほぼ10桁小さいため、小さい中性子強度を補い、検出感度を高めるには、本発明者の知見によれば、タンパク質の結晶体積を例えば1mm3以上となるように大きく、且つ、良質の結晶を成長させ中性子回折実験に供する必要がある。 In such a neutron diffraction method, neutrons emitted from a neutron source are collimated and irradiated to nuclei existing in the protein, and the scattering angle and intensity of the neutron are measured, so that hydrogen atoms and protons in the protein are measured. Position information is acquired selectively and the three-dimensional structure of the protein containing them is analyzed. At this time, since the neutron intensity (flux: the number of neutrons passing through the unit area per second) is almost 10 orders of magnitude smaller than the X-ray intensity, in order to compensate for the small neutron intensity and increase the detection sensitivity, the inventor's knowledge According to the above, it is necessary to grow a high-quality crystal having a protein crystal volume of, for example, 1 mm 3 or more and use it for a neutron diffraction experiment.

しかし、これまでのところ、1mm3以上の大型の良質なタンパク質結晶を再現性よく形成することは困難であった。ここで、一般に、結晶中のタンパク質分子は、結晶の対称性に従って3次元的に規則正しく配列(配置)され、個々のタンパク質分子は、その周囲を、例えば水分子によって隙間なく取り囲まれており、タンパク質結晶において水分子が占める割合は30〜70%程度である。そうすると、例えば、1mm3のタンパク質結晶中のタンパク質の量は、0.3〜0.7mg程度となる。一方、タンパク質の結晶化で使用される蒸気拡散法で、例えば濃度30mg/mlのタンパク質水溶液を20μl用いたとすると、その中には、0.6mgのタンパク質分子が溶解していることになるから、量的には、1mm3のタンパク質結晶を作成するには十分である。 However, so far, it has been difficult to form large, high-quality protein crystals of 1 mm 3 or more with good reproducibility. Here, generally, protein molecules in a crystal are regularly arranged (arranged) three-dimensionally according to the symmetry of the crystal, and each protein molecule is surrounded by, for example, water molecules without gaps. The proportion of water molecules in the crystal is about 30 to 70%. Then, for example, the amount of protein in a 1 mm 3 protein crystal is about 0.3 to 0.7 mg. On the other hand, in the vapor diffusion method used in protein crystallization, for example, if 20 μl of a protein aqueous solution having a concentration of 30 mg / ml is used, 0.6 mg of protein molecules are dissolved therein. Quantitatively enough to make a 1 mm 3 protein crystal.

ところが、かかる蒸気拡散法によっても、1mm3以上の大型の良質なタンパク質結晶を作製することは極めて困難である。本発明者が鋭意調査検討したところ、通常の結晶化では、水溶液中に多くの小型結晶が個別に形成される傾向にあり、1つの小型結晶に含まれるタンパク質の質量が少なく、1つの大型結晶にはなり得ない。また、単に、タンパク質水溶液の量を増大しても、膨大な数の小型結晶が形成されるだけである。さらに、近時、種結晶を用いた従来のマクロシーディング法によって、タンパク質結晶の大型化が模索されているものの、構造解析には適さない形状(例えば、平板状や針状)の結晶が成長してしまったり、場合によっては、試行錯誤の末に偶発的に大型のタンパク質結晶を形成させることができ得ることもある。しかし、大型の良質なタンパク質結晶を再現性よく成長させる手法は依然として確立されておらず、その歩留まりを向上させることが可能な技術開発が急務となっている。 However, it is extremely difficult to produce a large, high-quality protein crystal of 1 mm 3 or more even by such a vapor diffusion method. As a result of diligent research and investigation by the present inventors, in normal crystallization, many small crystals tend to be formed individually in an aqueous solution, and the mass of protein contained in one small crystal is small, and one large crystal It cannot be. Moreover, even if the amount of the protein aqueous solution is increased, an enormous number of small crystals are formed. In addition, recently, a macroscopic seeding method using a seed crystal has been sought to increase the size of protein crystals, but crystals that are not suitable for structural analysis (for example, flat or needle-like) have grown. In some cases, a large protein crystal can be formed accidentally after trial and error. However, a method for growing a large, high-quality protein crystal with good reproducibility has not been established yet, and there is an urgent need to develop a technology capable of improving the yield.

そこで、本発明は、中性子回折法に使用できる程度の大型の良質なタンパク質結晶を再現性よく成長(形成)させることが可能なタンパク質結晶成長装置、及びその方法を提案する。   In view of this, the present invention proposes a protein crystal growth apparatus capable of growing (forming) high-quality protein crystals large enough to be used in neutron diffraction with good reproducibility, and a method therefor.

このような課題を解決するため、本発明によるタンパク質結晶成長装置は、タンパク質溶液及び結晶化剤溶液が供給されるチャンバー(容器)部と、チャンバー部内に、タンパク質溶液を供給するタンパク質溶液供給部と、チャンバー部内に、結晶化剤溶液を供給する結晶化剤溶液供給部と、チャンバー部内に収容されたタンパク質溶液及び結晶化剤溶液の混合液におけるタンパク質の濃度と結晶化剤の濃度との関係を、タンパク質及び結晶化剤の溶解状態図における未飽和領域と、準安定領域と、自動核形成領域との間で、調節する制御部とを備える。なお、タンパク質溶液及び結晶化剤溶液は、予め混合されて「混合液」とされていてもよく、また、タンパク質溶液とは、タンパク質のいわゆる「原液」でもよく、適宜の濃度に調製した水溶液等であってもよいし、結晶化のための他の適宜の試薬を含んでいても構わない。   In order to solve such problems, a protein crystal growth apparatus according to the present invention includes a chamber (container) portion to which a protein solution and a crystallization agent solution are supplied, a protein solution supply portion to supply a protein solution in the chamber portion, and The relationship between the concentration of the crystallization agent and the concentration of the protein in the mixed solution of the protein solution and the crystallization agent solution contained in the chamber, And a control unit that adjusts between an unsaturated region, a metastable region, and an automatic nucleation region in the dissolution state diagram of the protein and the crystallization agent. The protein solution and the crystallization agent solution may be mixed in advance to form a “mixed solution”, and the protein solution may be a so-called “stock solution” of protein, an aqueous solution prepared at an appropriate concentration, etc. Or other suitable reagents for crystallization may be included.

すなわち、本発明は、タンパク質の大型且つ良質の結晶を、後述する「タンパク質及び結晶化剤の溶解状態図」を利用し、チャンバー部内に収容したタンパク質及び結晶化剤の混合液中におけるタンパク質及び結晶化剤の濃度を適宜調節することにより、小粒の結晶が多く形成されてしまうことを抑止することを企図したものである。   That is, the present invention utilizes a protein and crystallizing agent in a mixed solution of protein and crystallizing agent accommodated in a chamber part by using a “protein and crystallizing agent dissolution state diagram” described later for large and high-quality crystals of protein. It is intended to prevent the formation of many small crystals by appropriately adjusting the concentration of the agent.

より具体的な装置構成としては、例えば、制御部に接続され、且つ、チャンバー部内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、制御部に接続され、且つ、チャンバー部内を減圧する減圧部と、制御部に接続され、且つ、容器内の減圧を停止する減圧停止部と、制御部に接続され、且つ、容器内を加圧する加圧部とを備えていてもよい。また、タンパク質溶液供給部及び結晶化剤溶液供給部も前記制御部に接続されていてもよい。   As a more specific device configuration, for example, an inert gas supply unit that is connected to the control unit and supplies an inert gas into the chamber unit, and a decompression unit that is connected to the control unit and depressurizes the inside of the chamber unit. And a depressurization stop unit that is connected to the control unit and stops depressurization in the container, and a pressurization unit that is connected to the control unit and pressurizes the inside of the container. The protein solution supply unit and the crystallization agent solution supply unit may also be connected to the control unit.

このように構成されたタンパク質結晶成長装置においては、制御部が各部に接続され、各部を制御するようにされており、例えば、まず、制御部によりチャンバー部内の圧力が所望に制御される。換言すれば、制御部により、チャンバー部内に収容された混合液の水分蒸発が調整され、その混合液中からタンパク質結晶の形成及び成長が行われる。具体的には、制御部によって減圧部を制御し、チャンバー部内を減圧することにより、混合液中の水分が蒸発してタンパク質の濃度が上昇する。これにより、混合液が自動核形成領域に入るとタンパク質結晶が混合液から析出する。これにより、混合液中のタンパク質の濃度が降下し、また、制御部が減圧停止部を制御して、チャンバー部内の減圧を停止することにより、混合液は準安定領域に入る。そこでは新たな核形成は起きないので、混合液中のタンパク質はその結晶成長に消費されるので、多くの種結晶が形成されることなく、1つのタンパク質結晶が有意に成長する。これと同時に混合液中のタンパク質の濃度が降下し、溶解度曲線に到達すると結晶成長が停止する。そこで、制御部がタンパク質溶液供給部を制御して、タンパク質溶液を混合液に追加注入する。混合液は未飽和領域に入り、結晶表面は若干溶解する。これは結晶表面を清浄にすることにも繋がる。その後、制御部が再びチャンバー部内を準安定領域に達するよう減圧することにより、タンパク質結晶成長が再開され得る。   In the protein crystal growth apparatus configured as described above, a control unit is connected to each unit to control each unit. For example, first, the pressure in the chamber unit is controlled as desired by the control unit. In other words, the control unit adjusts the evaporation of water in the mixed solution stored in the chamber, and protein crystals are formed and grown from the mixed solution. Specifically, the controller controls the decompression unit to decompress the interior of the chamber, thereby evaporating water in the mixed solution and increasing the protein concentration. Thus, when the mixed solution enters the automatic nucleation region, protein crystals are precipitated from the mixed solution. As a result, the protein concentration in the mixed solution drops, and the control unit controls the depressurization stop unit to stop depressurization in the chamber unit, so that the mixed solution enters the metastable region. Since no new nucleation occurs there, the protein in the mixed solution is consumed for the crystal growth, so that one protein crystal grows significantly without forming many seed crystals. At the same time, the protein concentration in the mixture drops and crystal growth stops when the solubility curve is reached. Therefore, the control unit controls the protein solution supply unit to additionally inject the protein solution into the mixed solution. The mixed solution enters the unsaturated region, and the crystal surface is slightly dissolved. This also leads to cleaning the crystal surface. Then, protein crystal growth can be resumed by reducing the pressure of the controller again to reach the metastable region in the chamber.

さらに、チャンバー部は、成長するタンパク質の結晶を保持する基板を備え、基板は、不活性ガスが供給され、且つ、タンパク質溶液及び結晶化剤溶液又は混合液が注入されるホール部と、不活性ガスが流通する第1経路と、タンパク質溶液が流通する第2経路とを有し、第1経路は、ホール部の上部と基板の端部とを接続し、且つ、基板の上面に沿って形成され、第2経路は、ホール部の下部と基板の端部とを接続し、且つ基板の底面に沿って形成される構成が挙げられる。   Further, the chamber part includes a substrate for holding a crystal of the growing protein, the substrate is supplied with an inert gas, and a hole part into which the protein solution and the crystallizing agent solution or mixed solution are injected, and the substrate part is inert. The first path through which the gas flows and the second path through which the protein solution flows are formed. The first path connects the upper portion of the hole portion and the end portion of the substrate and is formed along the upper surface of the substrate. The second path may be configured to connect the lower part of the hole part and the end part of the substrate and be formed along the bottom surface of the substrate.

このようにすれば、チャンバー部の基板に形成されたホール部でタンパク質の結晶成長が行われる。また、基板に設けられた各経路により、不活性ガスはホール部の上部からホール部に流入され、タンパク質の原液はホール部の下部からホール部に注入されるので、本発明者の知見によれば、その結果、タンパク質の結晶成長をより高度に制御することが可能となる。   In this way, protein crystal growth is performed in the hole portion formed in the substrate of the chamber portion. In addition, the inert gas flows into the hole part from the upper part of the hole part and the protein stock solution is injected into the hole part from the lower part of the hole part by each path provided in the substrate. As a result, protein crystal growth can be controlled to a higher degree.

また、制御部は、減圧部と減圧停止部とを交互に及び/又は繰り返し動作させるように構成しても好ましい。   In addition, the control unit may be configured to operate the decompression unit and the decompression stop unit alternately and / or repeatedly.

さらに、制御部に接続され、且つ、タンパク質の結晶の状態を検出する検出部を有してもよく、この場合、検出部は、タンパク質における結晶の成長状態、及び/又は、タンパク質における結晶表面の溶解状態を検出するものが挙げられる。このように、結晶成長させるタンパク質の状態を検出することにより、所望の性状のタンパク質結晶をより確実に成長させ易くなる利点がある。   Furthermore, the detection unit may be connected to the control unit and detect the state of the crystal of the protein. In this case, the detection unit may be a growth state of the crystal in the protein and / or a crystal surface of the protein. Examples include those that detect the dissolved state. Thus, by detecting the state of the protein to be crystal-grown, there is an advantage that a protein crystal having a desired property can be more reliably grown.

また、本発明によるタンパク質結晶成長装置は、制御部の動作に着目すれば、制御部は、チャンバー部内にタンパク質の種結晶が予め収容された状態、又は、チャンバー部内でタンパク質の種結晶が形成された状態から、減圧部を動作させてチャンバー部内を減圧し、混合液中の水分を蒸発させることにより、タンパク質及び結晶化剤の溶解状態図において、混合液の状態を、未飽和領域から自動核形成領域へ遷移させて種結晶の成長を開始した後、減圧停止部を動作させてチャンバー部内の減圧を停止させ、タンパク質溶液中のタンパク質をタンパク質の結晶の成長に用いて混合液中のタンパク質の濃度を低下させることにより、混合液の状態を、自動核形成領域から準安定領域を経て前記未飽和領域へ遷移させるものである。また、制御部は、タンパク質溶液供給部を動作させて未飽和領域に到達した混合液に、その後、タンパク質溶液を供給(追加)して混合液中のタンパク質濃度を増加させるように構成しても有用である。   Further, in the protein crystal growth apparatus according to the present invention, if attention is paid to the operation of the control unit, the control unit is in a state where the protein seed crystal is previously accommodated in the chamber unit, or the protein seed crystal is formed in the chamber unit. In the dissolved state diagram of the protein and crystallization agent, the state of the mixture is automatically changed from the unsaturated region by operating the decompression unit to decompress the interior of the chamber and evaporating the water in the mixture. After transitioning to the formation region and starting the growth of the seed crystal, the decompression stop section is operated to stop the decompression in the chamber section, and the protein in the protein solution is used for the growth of the protein crystal to By reducing the concentration, the state of the mixed solution is shifted from the automatic nucleation region to the unsaturated region through the metastable region. In addition, the control unit may be configured to increase the protein concentration in the mixture by supplying (adding) the protein solution to the mixed solution that has reached the unsaturated region by operating the protein solution supply unit. Useful.

また、本発明によるタンパク質結晶成長方法は、特に、本発明によるタンパク質結晶成長装置を用いて有効に実行することができる方法であって、チャンバー部内に、タンパク質溶液を供給するステップと、チャンバー部内に、結晶化剤溶液を供給するステップと、チャンバー部内に収容されたタンパク質溶液及び結晶化剤溶液の混合液におけるタンパク質の濃度と結晶化剤の濃度との関係を、タンパク質及び結晶化剤の溶解状態図における未飽和領域と、準安定領域と、自動核形成領域との間で、調節するステップを含む。   In addition, the protein crystal growth method according to the present invention is particularly a method that can be effectively performed using the protein crystal growth apparatus according to the present invention, and includes a step of supplying a protein solution into the chamber portion, The step of supplying the crystallizing agent solution and the relationship between the protein concentration and the crystallizing agent concentration in the mixed solution of the protein solution and the crystallizing agent solution contained in the chamber part, the dissolved state of the protein and the crystallizing agent Adjusting between the unsaturated region, the metastable region, and the autonucleation region in the figure.

またさらに、混合液が収容されたチャンバー内を不活性ガスで置換するステップと、チャンバー部内にタンパク質の種結晶を予め収容した状態、又は、チャンバー内でタンパク質の種結晶を形成させた状態から、チャンバー部内を減圧するステップと、タンパク質の結晶が成長を開始したときに、チャンバー部内の減圧を停止するステップと、タンパク質の結晶表面が溶解したときに、混合液にタンパク質溶液を供給するステップとを更に含んでもよい。   Further, from the step of replacing the inside of the chamber containing the mixed solution with an inert gas, the state in which the protein seed crystal is previously stored in the chamber part, or the state in which the protein seed crystal is formed in the chamber, Reducing the pressure in the chamber, stopping the pressure reduction in the chamber when the protein crystals start growing, and supplying the protein solution to the mixture when the protein crystal surface is dissolved. Further, it may be included.

また、この場合、減圧するステップと、減圧を停止するステップとを交互に及び/又は繰り返し実行するようにしても好適である。   In this case, it is also preferable that the step of reducing the pressure and the step of stopping the pressure reduction are executed alternately and / or repeatedly.

さらに、タンパク質の結晶の状態を検出するステップを含んでもよく、このとき、タンパク質の結晶の状態を検出するステップにおいては、タンパク質における結晶の成長状態、及び/又は、タンパク質における結晶表面の溶解状態を検出するようにしてもよい。   Furthermore, a step of detecting a crystal state of the protein may be included. At this time, in the step of detecting the crystal state of the protein, the growth state of the crystal in the protein and / or the dissolution state of the crystal surface in the protein are determined. You may make it detect.

また、換言すれば、本発明によるタンパク質結晶成長方法は、チャンバー部内にタンパク質の種結晶を予め収容した状態、又は、チャンバー部内でタンパク質の種結晶を形成させた状態から、チャンバー部内を減圧し、混合液中の水分を蒸発させることにより、タンパク質及び結晶化剤の溶解状態図において、混合液の状態を、未飽和領域から自動核形成領域へ遷移させて種結晶の成長を開始した後、チャンバー部内の減圧を停止し、タンパク質溶液中のタンパク質をタンパク質の結晶の成長に用いて混合液中のタンパク質の濃度を低下させることにより、混合液の状態を、自動核形成領域から準安定領域を経て未飽和領域へ遷移させる方法であり、この場合、未飽和領域に到達した混合液に、タンパク質溶液を追加供給して混合液中のタンパク質濃度を増加させるようにしてもよい。   In other words, the protein crystal growth method according to the present invention reduces the pressure in the chamber part from the state in which the protein seed crystal is previously stored in the chamber part or the state in which the protein seed crystal is formed in the chamber part, By evaporating the water in the mixed solution, in the dissolution phase diagram of the protein and the crystallization agent, the state of the mixed solution is changed from the unsaturated region to the automatic nucleation region, and the growth of the seed crystal is started. By stopping the decompression in the part and using the protein in the protein solution for protein crystal growth to reduce the protein concentration in the mixture, the state of the mixture is changed from the automatic nucleation region to the metastable region. In this case, the protein solution is additionally supplied to the mixed solution that has reached the unsaturated region, and the tank in the mixed solution is supplied. It may be increased click quality levels.

本発明によれば、蒸気拡散法による結晶育成方法を応用し、すなわち、結晶化剤(リザーバー)溶液との蒸気圧差を用いることなくタンパク質溶液(滴)中の蒸気圧を制御することにより、タンパク質を、所望の大きさであって、且つ、良質な結晶に、しかも再現性よく成長せしめることができるとともに、結晶育成を不活性ガス雰囲気下で実施するので、タンパク質の結晶表面の酸化をも防止することができる。   According to the present invention, the crystal growth method by the vapor diffusion method is applied, that is, the protein is controlled by controlling the vapor pressure in the protein solution (droplet) without using the vapor pressure difference with the crystallization agent (reservoir) solution. Can be grown to a desired size and high quality crystal with good reproducibility, and the crystal growth is carried out in an inert gas atmosphere, preventing oxidation of the protein crystal surface. can do.

本発明によるタンパク質結晶成長装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of one Embodiment of the protein crystal growth apparatus by this invention. 図1に示すタンパク質結晶成長装置1の要部を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the principal part of the protein crystal growth apparatus 1 shown in FIG. 同タンパク質結晶成長装置1の要部を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the principal part of the protein crystal growth apparatus. 図2Aにおけるチャンバー部3をIII−III線に沿って示す断面図である。It is sectional drawing which shows the chamber part 3 in FIG. 2A along a III-III line. タンパク質の結晶成長の相図の一例を示す溶解状態図である。It is a dissolution state figure which shows an example of the phase diagram of protein crystal growth. 従来のハンギングドロップ法の一例を示す溶解状態図である。It is a melt | dissolution state figure which shows an example of the conventional hanging drop method. 図6に示す従来のハンギングドロップ法の一例を用いてタンパク質の結晶成長を行っている状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state which is performing the crystal growth of protein using an example of the conventional hanging drop method shown in FIG. 本発明の一実施形態に基づいてタンパク質の結晶成長の相図の一例を示す溶解状態図である。It is a melt | dissolution state figure which shows an example of the phase diagram of the crystal growth of protein based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態で用いるタンパク質及び結晶化剤(リザーバー)溶液の混合液の濃度の一例を示す溶解状態図である。It is a dissolution state figure which shows an example of the density | concentration of the liquid mixture of the protein used by one Embodiment of this invention, and a crystallization agent (reservoir) solution. 図2Aにおけるチャンバー部3の側面図である。It is a side view of the chamber part 3 in FIG. 2A.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. Further, the following embodiments are exemplifications for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. Furthermore, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

(1)タンパク質結晶成長装置の構成
図1は、本発明によるタンパク質結晶成長装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図であり、図2Aは、図1に示すタンパク質結晶成長装置1の要部を模式的に示す上面図であり、図2Bは、同タンパク質結晶成長装置1の要部を模式的に示す側面図である。同図に示す如く、タンパク質結晶成長装置1は、制御部2とチャンバー部3を備えており、さらに、それらに接続された気圧調整部4、ガス調整部5、注入部6、センサー部7、及び検出部8を含んで構成されている。
(1) Configuration of Protein Crystal Growth Device FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a protein crystal growth device according to the present invention, and FIG. 2A is a main part of the protein crystal growth device 1 shown in FIG. FIG. 2B is a side view schematically showing the main part of the protein crystal growth apparatus 1. As shown in the figure, the protein crystal growth apparatus 1 includes a control unit 2 and a chamber unit 3, and further includes an atmospheric pressure adjustment unit 4, a gas adjustment unit 5, an injection unit 6, a sensor unit 7, connected thereto. And the detection part 8 is comprised.

制御部2は、気圧調整部4、ガス調整部5、注入部6、センサー部7、及び検出部8の各部の制御を行うものであって、例えばCPU、プロセッサなどの電子回路であってもよく、又は、通常のコンピュータ装置、専用化したシステム、若しくは汎用の情報処理装置のいずれであってもよい。さらに、例えば、一般的な構成の情報処理装置において、後述するタンパク質結晶成長方法における各処理のアルゴリズムを含む(プログラミングされた)ソフトウェアを実行することにより、本実施形態の制御部2として動作させることもできる。   The control unit 2 controls each unit of the atmospheric pressure adjustment unit 4, the gas adjustment unit 5, the injection unit 6, the sensor unit 7, and the detection unit 8, and may be an electronic circuit such as a CPU or a processor. Alternatively, it may be a normal computer device, a dedicated system, or a general-purpose information processing device. Furthermore, for example, in an information processing apparatus having a general configuration, by executing software (programmed) including an algorithm for each process in the protein crystal growth method described later, the information processing apparatus is operated as the control unit 2 of the present embodiment. You can also.

チャンバー部3は、タンパク質の結晶を成長させる密閉空間を画成するものであり、チャンバー部3内に設けられた結晶成長基板31を用いて、大型で且つ良質なタンパク質の結晶を作製するものである。本実施形態のチャンバー部3は、その体積が、例えば、106mm3の無色透明な密閉容器であって、少なくとも1ヶ月以上、気密性の保持が可能な容器を用いことができる。なお、チャンバー部3の詳細な構成については後述する。 The chamber part 3 defines a sealed space for growing protein crystals, and uses a crystal growth substrate 31 provided in the chamber part 3 to produce large and high-quality protein crystals. is there. The chamber part 3 of the present embodiment is a colorless and transparent sealed container having a volume of, for example, 10 6 mm 3 , and a container that can be kept airtight for at least one month or more can be used. The detailed configuration of the chamber unit 3 will be described later.

また、気圧調整部4は、制御部2の指示に基づき、チャンバー部3内を所望の圧力(蒸気圧)に調整し、該調整を停止する。より具体的には、気圧調整部4は、チャンバー部3内の圧力を加圧又は減圧する。この点において、気圧調整部4は、本発明における「加圧部」、「減圧部」、及び「減圧停止部」を兼ねる。この気圧調整部4は、例えば、シリンジ41から構成されており(図2A参照)、シリンジ41の一端がチャンバー部3の接続部35に接続されている。シリンジ41の一端とチャンバー部3の接続部35との間には、例えば電磁弁42等の適宜の開閉弁が設けられており、制御部2の指示に基づいて、その電磁弁42が開閉される。   The atmospheric pressure adjusting unit 4 adjusts the inside of the chamber unit 3 to a desired pressure (vapor pressure) based on an instruction from the control unit 2 and stops the adjustment. More specifically, the atmospheric pressure adjustment unit 4 increases or decreases the pressure in the chamber unit 3. In this respect, the atmospheric pressure adjustment unit 4 also serves as the “pressurization unit”, “decompression unit”, and “decompression stop unit” in the present invention. For example, the atmospheric pressure adjustment unit 4 includes a syringe 41 (see FIG. 2A), and one end of the syringe 41 is connected to the connection unit 35 of the chamber unit 3. An appropriate opening / closing valve such as an electromagnetic valve 42 is provided between one end of the syringe 41 and the connection portion 35 of the chamber portion 3, and the electromagnetic valve 42 is opened / closed based on an instruction from the control unit 2. The

一方、ガス調整部5(不活性ガス供給部)は、制御部2の指示に基づき、チャンバー部3内を所望のガス成分に調整する機能を有する。ガス調整部5は、タンパク質の結晶の成長を開始する前に、チャンバー部3内の大気(空気)をチャンバー部3外へ放出し、チャンバー部3内に不活性ガス(例えば、希ガスや窒素ガス)を供給し、供給した不活性ガスを所望の気圧に調整する。   On the other hand, the gas adjustment unit 5 (inert gas supply unit) has a function of adjusting the inside of the chamber unit 3 to a desired gas component based on an instruction from the control unit 2. Before starting the growth of protein crystals, the gas adjustment unit 5 releases the atmosphere (air) in the chamber unit 3 to the outside of the chamber unit 3, and the inert gas (for example, rare gas or nitrogen) Gas) and the supplied inert gas is adjusted to a desired pressure.

このガス調整部5は、図2Aに示すとおり、例えば、ガスレギュレータ51、ガス流量調整器52、不活性ガス供給バルブ53、及び大気開放バルブ54を有している。ガス調整部5は、ガス圧を一定に保持するガスレギュレータ51とガス流量調整器52とが接続され、また、該調整器52と不活性ガス供給バルブ53、及び大気開放バルブ54とが接続され、さらに、各バルブ53,54とチャンバー部3とが接続されてなるものである。なお、本実施形態では、ガス流量調整器としてマスフローコンローラ(MFC:Mass Flow Controller)を使用し、不活性ガスの流量制御を行うが、制御部2自体にMFCの機能を設けて、MFCを割愛してもよい。また、不活性ガス供給バルブ53、及び大気開放バルブ54の開閉も、ガス流量調整器52又は制御部2の指示に基づいて行うことができる。   As shown in FIG. 2A, the gas adjusting unit 5 includes, for example, a gas regulator 51, a gas flow rate adjuster 52, an inert gas supply valve 53, and an atmosphere release valve 54. The gas regulator 5 is connected to a gas regulator 51 that keeps the gas pressure constant and a gas flow rate regulator 52, and is connected to the regulator 52, an inert gas supply valve 53, and an atmosphere release valve 54. Further, the valves 53 and 54 and the chamber portion 3 are connected. In this embodiment, a mass flow controller (MFC: Mass Flow Controller) is used as a gas flow controller to control the flow rate of the inert gas. However, the MFC function is provided in the control unit 2 itself, You may omit it. Further, the inert gas supply valve 53 and the atmosphere release valve 54 can be opened and closed based on instructions from the gas flow rate regulator 52 or the control unit 2.

さらに、注入部6は、制御部2の指示に基づき、タンパク質の結晶を成長させるための各種試薬を、所望のタイミングでチャンバー部3に適量注入する。注入部6は、例えば、タンパク質の原液(タンパク質溶液)を保持しているタンパク質注入部61(タンパク質溶液供給部)、及び結晶化剤(沈殿剤)溶液を保持している結晶化剤注入部62(結晶化剤溶液供給部)を有している。   Furthermore, the injection unit 6 injects appropriate amounts of various reagents for growing protein crystals into the chamber unit 3 at a desired timing based on instructions from the control unit 2. The injection unit 6 includes, for example, a protein injection unit 61 (protein solution supply unit) holding a protein stock solution (protein solution) and a crystallization agent injection unit 62 holding a crystallization agent (precipitating agent) solution. (Crystallizing agent solution supply unit).

結晶化剤の種類としては、特に制限されず、例えば、無機塩(硫酸アンモニウム、硫酸ナトリウム、硫酸リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、塩化リチウム、酢酸アンモニウム、酢酸ナトリウム、リン酸アンモニウム、リン酸ナトリウム、又はリン酸カリウム)、ポリエチレングリコール(PEG)(例えば、PEG400、PEG1000、PEG4000、PEG6000、PEG10000)、又は、有機化合物(2−メチル−2,4−ペンタネジオール(MDP)、イソプロプロパノール、エタノール、メタノール、ジオキサン、ブタノール、プロパノール)等が挙げられる。   The type of crystallization agent is not particularly limited, and examples thereof include inorganic salts (ammonium sulfate, sodium sulfate, lithium sulfate, sodium chloride, potassium chloride, ammonium chloride, lithium chloride, ammonium acetate, sodium acetate, ammonium phosphate, phosphoric acid. Sodium or potassium phosphate), polyethylene glycol (PEG) (eg, PEG400, PEG1000, PEG4000, PEG6000, PEG10000), or an organic compound (2-methyl-2,4-pentanediol (MDP), isopropropanol, Ethanol, methanol, dioxane, butanol, propanol) and the like.

本実施形態では、タンパク質注入部61、及び結晶化剤注入部62に加え、水注入部63が設けられており、水注入部63には水が保持されている。また、各種注入部61,62,63は、例えば、シリンジで構成されており(図2A参照)、シリンジの一端がチャンバー部3に接続されている。各シリンジの一端とチャンバー部3との間には、それぞれ、例えば電磁弁64,65,66等の適宜の開閉弁が設けられており、制御部2の指示に基づき、電磁弁64,65,66が開閉される。例えば、制御部2の指示により、タンパク質注入部61から1μl(マイクロリットル)/回、結晶化剤注入部62から5μl/回、水注入部63から1μl/回の液量がチャンバー部3内に注入(供給)される。   In this embodiment, in addition to the protein injection part 61 and the crystallization agent injection part 62, a water injection part 63 is provided, and the water injection part 63 holds water. Moreover, the various injection | pouring parts 61, 62, and 63 are comprised by the syringe, for example (refer FIG. 2A), and the end of the syringe is connected to the chamber part 3. FIG. Appropriate on-off valves such as electromagnetic valves 64, 65, 66, for example, are provided between one end of each syringe and the chamber portion 3. Based on instructions from the control unit 2, the electromagnetic valves 64, 65, 66 is opened and closed. For example, according to an instruction from the control unit 2, a liquid amount of 1 μl (microliter) / time from the protein injection unit 61, 5 μl / time from the crystallization agent injection unit 62, and 1 μl / time from the water injection unit 63 is stored in the chamber 3. Injected (supplied).

なお、各種注入部61,62,63の形態は、本実施形態のシリンジには限られず、適量の各種試薬が所望のタイミングでチャンバー部3に注入されればよい。   In addition, the form of the various injection | pouring parts 61, 62, and 63 is not restricted to the syringe of this embodiment, What is necessary is just to inject | pour appropriate amounts of various reagents into the chamber part 3 at a desired timing.

また、センサー部7は、チャンバー部3内の温度又は気圧(圧力)を検出する。本実施形態におけるセンサー部7は、温度センサー71、及び気圧センサー72を有し、各センサー71,72が、それぞれ、チャンバー部3の温度又は気圧を検出する。温度センサー71は、チャンバー部3内の温度を測定できるように結晶成長基板31上に設けられており、気圧センサー72は、チャンバー部3の結晶成長基板31に設けられたホール部32内の気圧を測定できるように、そのホール部32内に設けられている。さらに、センサー部7には、モニター73が設けられていることが好ましく、この場合、各センサー71,72により検出された各検出値がモニター73に表示される。センサー部7で検出された検出値に応じて、制御部2が予め設定されているしきい値(基準温度及び基準気圧)を超えないように制御することができる。   The sensor unit 7 detects the temperature or atmospheric pressure (pressure) in the chamber unit 3. The sensor unit 7 in this embodiment includes a temperature sensor 71 and an atmospheric pressure sensor 72, and each sensor 71, 72 detects the temperature or atmospheric pressure of the chamber unit 3. The temperature sensor 71 is provided on the crystal growth substrate 31 so that the temperature in the chamber portion 3 can be measured, and the atmospheric pressure sensor 72 is the atmospheric pressure in the hole portion 32 provided on the crystal growth substrate 31 of the chamber portion 3. It is provided in the hole 32 so that can be measured. Furthermore, the sensor unit 7 is preferably provided with a monitor 73, and in this case, the detected values detected by the sensors 71 and 72 are displayed on the monitor 73. Depending on the detection value detected by the sensor unit 7, the control unit 2 can perform control so as not to exceed preset threshold values (reference temperature and reference atmospheric pressure).

検出部8は、タンパク質の結晶の成長過程(結晶成長の程度)を検出するためのものである。本実施形態における検出部8は、チャンバー部3の背面に、例えばCCDカメラ等の撮像装置81及びモニター82が備えられており、撮像装置81で検出した結晶画像がモニター82に表示される。モニター81に表示された結晶の成長状況に応じて、制御部2が各部に所定の指示を行い、チャンバー部3内の気圧(蒸気圧)を制御するように構成されている。本実施形態では、撮像装置81とモニター82とは別体に設けられていてもよく、或いは、結晶の撮像及び表示を一体で行える機器を用いても、もちろんよい。   The detection unit 8 is for detecting a protein crystal growth process (degree of crystal growth). In the present embodiment, the detection unit 8 includes an imaging device 81 such as a CCD camera and a monitor 82 on the back surface of the chamber unit 3, and a crystal image detected by the imaging device 81 is displayed on the monitor 82. In accordance with the crystal growth state displayed on the monitor 81, the control unit 2 gives a predetermined instruction to each unit to control the atmospheric pressure (vapor pressure) in the chamber unit 3. In the present embodiment, the imaging device 81 and the monitor 82 may be provided separately, or of course, a device that can integrally perform imaging and display of crystals may be used.

(2)チャンバー部の構成
図2Aに示す如く、チャンバー部3は、その略中央に結晶成長基板31が配置されている。チャンバー部3の一側面には、各種注入部61,62,63がそれぞれ接続される各接続部33が設けられており、それらの各接続部33を介して、各種注入部61,62,63が結晶成長基板31に接続されている。また、チャンバー部3の他側面には、ガス調整部5が接続される各接続部34が設けられており、それらの各接続部34を介して、ガス調整部5が結晶成長基板31に接続されている。
(2) Configuration of Chamber Unit As shown in FIG. 2A, the chamber unit 3 has a crystal growth substrate 31 disposed substantially at the center thereof. One side surface of the chamber portion 3 is provided with connection portions 33 to which the various injection portions 61, 62, and 63 are connected, and the various injection portions 61, 62, and 63 are connected through the connection portions 33. Is connected to the crystal growth substrate 31. Further, each connection part 34 to which the gas adjustment part 5 is connected is provided on the other side surface of the chamber part 3, and the gas adjustment part 5 is connected to the crystal growth substrate 31 through each connection part 34. Has been.

ここで、図3は、図2Aにおけるチャンバー部3(特に、結晶成長基板31)をIII−III線に沿って示す断面図である。結晶成長基板31は、主として、一定の画成された空間としてのホール部32、ガス接続部36、ガス経路部37、水溶液接続部38、及び水溶液経路部39を含んで構成されている。   Here, FIG. 3 is a sectional view showing the chamber portion 3 (particularly, the crystal growth substrate 31) in FIG. 2A along the line III-III. The crystal growth substrate 31 mainly includes a hole portion 32, a gas connection portion 36, a gas path portion 37, an aqueous solution connection portion 38, and an aqueous solution path portion 39 as a constant defined space.

ホール部32は、結晶成長基板31の略中央に形成され、底面を有し、且つ、該底面から上面に向かって筒状のホールが形成された容器である。ホール部32には、図9に示すように、注入部6からタンパク質及び結晶化剤の混合液15が注入され、例えば、その混合液にタンパク質の種結晶16が混入される。なお、ホール部32は、カバーガラス9で覆われるようにされており、カバーガラス9は、気圧センサー72をホール部32に挿入するための貫通孔hを有している。   The hole portion 32 is a container that is formed substantially at the center of the crystal growth substrate 31, has a bottom surface, and has a cylindrical hole formed from the bottom surface toward the top surface. As shown in FIG. 9, a mixed solution 15 of protein and crystallization agent is injected into the hole portion 32 from the injection portion 6, and, for example, a protein seed crystal 16 is mixed in the mixed solution. The hole portion 32 is covered with a cover glass 9, and the cover glass 9 has a through hole h for inserting the atmospheric pressure sensor 72 into the hole portion 32.

ガス接続部36は、結晶成長基板31の上面に形成され、ガス調整部5と結晶成長基板31とを接続する。図2Aに示すとおり、本実施形態では、ガス接続部36は、結晶成長基板31の上面の図示向かって左側に3箇所形成されているが、ホール部32にガスを注入できればよく、員数や配置はこの形態に限定されない。   The gas connection portion 36 is formed on the upper surface of the crystal growth substrate 31 and connects the gas adjustment portion 5 and the crystal growth substrate 31. As shown in FIG. 2A, in the present embodiment, three gas connection portions 36 are formed on the left side of the upper surface of the crystal growth substrate 31 as shown in the figure, but it is sufficient that gas can be injected into the hole portion 32. Is not limited to this form.

ガス経路部37は、ガス接続部36とホール部32とを結ぶ経路であり(図3参照)、ホール部32から放射状に基板31内部に形成されている(図2A参照)。ガス経路部37は、ガス調整部5から送出される不活性ガスが、ガス経路部37を通ってホール部32に流入する。ガス経路部37は、図3に示すとおり、結晶成長基板31のガス接続部36からホール部32の上部側面321に到達するように、結晶成長基板31の上面311近傍に沿って形成されている。   The gas path part 37 is a path that connects the gas connection part 36 and the hole part 32 (see FIG. 3), and is formed radially inside the substrate 31 from the hole part 32 (see FIG. 2A). In the gas path part 37, the inert gas delivered from the gas adjustment part 5 flows into the hole part 32 through the gas path part 37. As shown in FIG. 3, the gas path portion 37 is formed along the vicinity of the upper surface 311 of the crystal growth substrate 31 so as to reach the upper side surface 321 of the hole portion 32 from the gas connection portion 36 of the crystal growth substrate 31. .

水溶液接続部38は、結晶成長基板31の上面に形成され、注入部6と結晶成長基板31とを接続する。図2Aに示すとおり、水溶液接続部38は、結晶成長基板31の上面311の図示向かって右側に3箇所形成されており、各接続部38は、紙面手前からタンパク質水溶液注入部61、結晶化剤水溶液注入部62、及び水注入部63に接続されている。なお、水溶液接続部38は、ホール部32にタンパク質水溶液及び結晶化剤水溶液の混合液を作製できればよく、この形態に限定されない。   The aqueous solution connection portion 38 is formed on the upper surface of the crystal growth substrate 31 and connects the injection portion 6 and the crystal growth substrate 31. As shown in FIG. 2A, the aqueous solution connection portions 38 are formed at three positions on the right side of the upper surface 311 of the crystal growth substrate 31. Each connection portion 38 includes the protein aqueous solution injection portion 61, the crystallization agent from the front of the page. The aqueous solution injection part 62 and the water injection part 63 are connected. The aqueous solution connecting portion 38 is not limited to this form as long as it can produce a mixed solution of an aqueous protein solution and an aqueous crystallization agent solution in the hole portion 32.

水溶液経路部39は、水溶液接続部38とホール部32とを結ぶ経路であり、図2Aに示すとおり、ホール部32から放射状に基板31内部に形成されている。注入部61〜63から送出される各種水溶液が、水溶液経路部39を通ってホール部32に流入する。水溶液経路部39は、図3に示すとおり、結晶成長基板31の水溶液接続部38からホール部32の底部側面322に沿って底面323に到達するように、結晶成長基板31の底面312近傍に沿って形成されている。   The aqueous solution path portion 39 is a path connecting the aqueous solution connection portion 38 and the hole portion 32, and is formed in the substrate 31 radially from the hole portion 32 as shown in FIG. 2A. Various aqueous solutions sent from the injection parts 61 to 63 flow into the hole part 32 through the aqueous solution path part 39. As shown in FIG. 3, the aqueous solution path portion 39 extends along the vicinity of the bottom surface 312 of the crystal growth substrate 31 so as to reach the bottom surface 323 along the bottom side surface 322 of the hole portion 32 from the aqueous solution connection portion 38 of the crystal growth substrate 31. Is formed.

(3)従来の一般的なタンパク質の結晶成長方法
このように構成されたタンパク質結晶成長装置1を用いて本発明によるタンパク質の結晶成長方法における手順(工程)を説明する前に、従来、一般に用いられてきたタンパク質の結晶化方法について、図4を参照して説明する。
(3) Conventional General Protein Crystal Growth Method Before explaining the procedure (process) in the protein crystal growth method according to the present invention using the protein crystal growth apparatus 1 configured as described above, the conventional general crystal growth method is used. The protein crystallization method that has been described will be described with reference to FIG.

図4は、タンパク質の結晶成長の相図の一例を示す溶解状態図である。本図に示す溶解状態図は、言わば、タンパク質の溶解状態を示すものであり、縦軸はタンパク質濃度(Cp)を示し、横軸は結晶化剤濃度(Cc)を示す。この相図を示す溶解状態図においては、溶解度曲線C1を境界として、未飽和領域A1と過飽和領域A2,A3に区分され、さらに過飽和領域A2,A3は、過飽和曲線C2を境に準安定領域A2と自動核形成領域A3とに区分される。   FIG. 4 is a dissolution state diagram showing an example of a phase diagram of protein crystal growth. The solubilization state diagram shown in this figure shows the solubilization state of protein, the vertical axis indicates the protein concentration (Cp), and the horizontal axis indicates the crystallization agent concentration (Cc). In the dissolution phase diagram showing this phase diagram, the solubility curve C1 is used as a boundary, and the region is divided into an unsaturated region A1 and supersaturated regions A2 and A3. And automatic nucleation region A3.

未飽和領域A1は、溶解度曲線C1を下回る領域であり、タンパク質の結晶核を形成することなくタンパク質が溶解・分散されている領域である。準安定領域A2は、溶解度曲線C1と過飽和曲線C2との間に位置する領域であり、結晶核が形成(発生)されることはないが、例えば、種結晶や既に結晶核が存在する場合、その結晶が成長する領域である。自動核形成領域A3は、過飽和曲線C2を上回る領域であり、タンパク質の分子同士の相互作用によって結晶核が形成される領域である。   The unsaturated region A1 is a region below the solubility curve C1, and is a region in which proteins are dissolved and dispersed without forming protein crystal nuclei. The metastable region A2 is a region located between the solubility curve C1 and the supersaturation curve C2, and no crystal nucleus is formed (generated). For example, when a seed crystal or a crystal nucleus already exists, This is the region where the crystal grows. The automatic nucleation region A3 is a region that exceeds the supersaturation curve C2, and is a region in which crystal nuclei are formed by the interaction between protein molecules.

かかる相図に基づくと、理想的なタンパク質の結晶を形成するためには、次のような点が必要であることが理解されるであろう。第1に、結晶化する前はタンパク質が完全に溶解した未飽和領域に存在することが必要である。第2に、あまりに高い結晶化剤濃度では結晶核が形成する確率が高すぎて多くの結晶が形成されてしまうことから、良質な結晶核を形成するためには、準安定領域A2になるべく近い自動核形成領域A3で結晶核を成長させることが必要である。第3に、結晶核の成長は自動核形成領域A3でも行われるが、結晶を大きく育成させるためには、新しい核形成を伴わない準安定領域A2で行うことが必要である。第4に、結晶の成長は、タンパク質分子の結晶への取り込みと溶解とが平衡状態を実現する溶解度曲線上に達すると停止する。   Based on this phase diagram, it will be understood that the following points are necessary to form an ideal protein crystal. First, prior to crystallization, it is necessary that the protein be in an unsaturated region where it is completely dissolved. Secondly, if the crystallizing agent concentration is too high, the probability of forming crystal nuclei is too high and many crystals are formed. Therefore, in order to form a good quality crystal nuclei, the metastable region A2 is as close as possible. It is necessary to grow crystal nuclei in the automatic nucleation region A3. Third, the growth of crystal nuclei is also performed in the automatic nucleation region A3. However, in order to grow the crystal largely, it is necessary to perform it in the metastable region A2 without new nucleation. Fourth, crystal growth stops when it reaches a solubility curve where the incorporation and dissolution of protein molecules into the crystal achieve an equilibrium state.

しかし、従来は、タンパク質の結晶化が行われる現象としてかかる相図に則った方式である、タンパク質を結晶化する手法の1つである蒸気拡散法を用いて、広く行われていたが、相図を強く意識しては行われてはいなかった。   However, in the past, it was widely performed using the vapor diffusion method, which is one of the methods for crystallizing proteins, which is a method according to the phase diagram as a phenomenon of protein crystallization. It was not done with a strong awareness of the figure.

かかる蒸気拡散法は、タンパク質溶液中の水分を蒸発させ、タンパク質の濃度を徐々に上昇させることによって、タンパク質溶液からタンパク質を析出させて結晶を得る手法である。このような蒸気拡散法の代表的な手法としては、例えば、ハンギングドロップ法やシッティングドロップ法と呼ばれる手法が用いられている。ここでは、図5及び図6を参照して、ハンギングドロップ法について説明し、シッティングドロップ法も原理的にほぼ同様であるので、ここでの説明は省略する。   Such a vapor diffusion method is a technique for obtaining crystals by precipitating protein from a protein solution by evaporating water in the protein solution and gradually increasing the protein concentration. As a typical method of such a vapor diffusion method, for example, a method called a hanging drop method or a sitting drop method is used. Here, the hanging drop method will be described with reference to FIGS. 5 and 6, and the sitting drop method is substantially the same in principle, and thus the description thereof is omitted here.

ハンギングドロップ法によりタンパク質の結晶化を実現させるためには、図5に示すように、まずタンパク質溶液(水分子、結晶化剤分子、及びタンパク質分子を含む溶液)とリザーバー(結晶化剤)水溶液11とを用意する。次に、リザーバー容器12に十分な量のリザーバー水溶液を入れる。そして、タンパク質溶液をカバーガラス13の上に滴下させ(以下、タンパク質溶液滴10という。)、リザーバー容器12にそのカバーガラス13を吊るす。   In order to realize protein crystallization by the hanging drop method, as shown in FIG. 5, first, a protein solution (a solution containing water molecules, crystallization agent molecules, and protein molecules) and a reservoir (crystallization agent) aqueous solution 11 are used. And prepare. Next, a sufficient amount of the reservoir aqueous solution is placed in the reservoir container 12. Then, the protein solution is dropped on the cover glass 13 (hereinafter referred to as protein solution droplet 10), and the cover glass 13 is suspended from the reservoir container 12.

このような状態において、タンパク質溶液滴10中の結晶化剤濃度(Cci)は、リザーバー水溶液中の濃度に比して低いので、タンパク質溶液滴10の蒸気圧はリザーバー(結晶化剤)水溶液11中の蒸気圧に比べて高いので、タンパク質溶液滴10中から水分が蒸発する。その結果、タンパク質溶液滴10中のタンパク質濃度(Cpi)が、結晶化剤濃度(Cci)ともに上昇し、やがて自動核形成領域A3に到達すると、自動的に結晶核が形成され、結晶化が開始される。タンパク質溶液滴10中の結晶化剤濃度(Cc)が、リザーバー水溶液11中の結晶化剤濃度(Ccr)と同濃度に到達した時点で両方の溶液の蒸気圧が等しくなるので、タンパク質溶液滴10中の水分蒸発が停止する。このように、ハンギングドロップ法に基づくタンパク質の結晶成長工程は、図5に示すように、原点を通る右上がりの直線(始点 (Cci ,Cpi,),終点 (Ccr ,Cpf))で表すことができる。   In such a state, since the crystallization agent concentration (Cci) in the protein solution droplet 10 is lower than the concentration in the aqueous reservoir solution, the vapor pressure of the protein solution droplet 10 is in the aqueous reservoir (crystallization agent) solution 11. Therefore, the water evaporates from the protein solution droplet 10. As a result, when the protein concentration (Cpi) in the protein solution droplet 10 increases with the crystallization agent concentration (Cci) and eventually reaches the automatic nucleation region A3, crystal nuclei are automatically formed and crystallization starts. Is done. When the crystallization agent concentration (Cc) in the protein solution droplet 10 reaches the same concentration as the crystallization agent concentration (Ccr) in the reservoir aqueous solution 11, the vapor pressures of both solutions become equal. Water evaporation inside stops. Thus, the protein crystal growth process based on the hanging drop method can be represented by a straight line (start point (Cci, Cpi,), end point (Ccr, Cpf)) passing through the origin as shown in FIG. it can.

ここで、蒸気拡散法におけるリザーバー水溶液11は、上述の如く、タンパク質溶液滴10から水分を蒸発させ、タンパク質溶液滴10中の結晶化剤濃度(Cc)が、リザーバー水溶液11中の結晶化剤濃度(Ccr)と同濃度に到達した時点で、タンパク質溶液滴10中から水分の蒸発を停止させるといったタンパク質溶液滴10中の蒸気圧を制御する機能(役割)を有している。しかし、前述した如く、かかる従来の結晶成長方法では、大型で且つ良質のタンパク質結晶を再現性よく作製できないのが現状である。   Here, the reservoir aqueous solution 11 in the vapor diffusion method evaporates moisture from the protein solution droplet 10 as described above, and the crystallization agent concentration (Cc) in the protein solution droplet 10 is the crystallization agent concentration in the reservoir aqueous solution 11. It has a function (role) for controlling the vapor pressure in the protein solution droplet 10 such that the evaporation of moisture from the protein solution droplet 10 is stopped when the same concentration as (Ccr) is reached. However, as described above, in the conventional crystal growth method, a large-sized and high-quality protein crystal cannot be produced with good reproducibility.

(4)本発明によるタンパク質の結晶成長方法
そこで、本発明者らが詳細に鋭意研究した結果、タンパク質の結晶を成長させる上で構成要素の1つとなっていたリザーバー水溶液との蒸気圧差を使用することなくタンパク質溶液滴中の蒸気圧を制御する方法を見出し、本発明を完成するに至った。かかる制御方法を説明する前に、タンパク質結晶成長装置1を用いた本実施形態の制御方法の実現性について、先に説明する。
(4) Protein Crystal Growth Method According to the Present Invention Therefore, as a result of detailed studies by the present inventors, the difference in vapor pressure from the reservoir aqueous solution, which has been one of the constituent elements in growing protein crystals, is used. The present inventors have found a method for controlling the vapor pressure in protein solution droplets without completing the present invention. Before describing this control method, the feasibility of the control method of this embodiment using the protein crystal growth apparatus 1 will be described first.

(4−1)蒸気圧制御の検討
まず、液体に不揮発性の物質を溶かすとその水溶液の蒸気圧は溶質濃度に比例して減少する(ラウールの法則)。純溶媒(例えば、純水)の蒸気圧をPoとした場合、水溶液の蒸気圧降下ΔPは下記式(1)で示される。
ΔP=(n2/n1)Po …(1)
式中、n1は、純溶媒のモル数を示し、n2は、溶質のモル数を示す。
(4-1) Examination of vapor pressure control First, when a non-volatile substance is dissolved in a liquid, the vapor pressure of the aqueous solution decreases in proportion to the solute concentration (Raoul's law). When the vapor pressure of a pure solvent (for example, pure water) is Po, the vapor pressure drop ΔP of the aqueous solution is expressed by the following formula (1).
ΔP = (n 2 / n 1 ) Po (1)
In the formula, n 1 represents the number of moles of the pure solvent, and n 2 represents the number of moles of the solute.

ここで、Po=760mmHg(1気圧)のときに、結晶剤として、例えば塩化ナトリウムを5wt%使用した場合には、塩化ナトリウムのモル質量(分子量)は約58.5gmol-1、水のモル質量は18gmol-1なので、式(1)より、モル分率(n2/n1)は約0.0142となり、水溶液の蒸気圧降下ΔP=10.8mmHgとなる。 Here, when Po = 760 mmHg (1 atm), for example, when 5 wt% of sodium chloride is used as a crystallization agent, the molar mass (molecular weight) of sodium chloride is about 58.5 gmol −1 , and the molar mass of water. Is 18 gmol −1 , the molar fraction (n 2 / n 1 ) is about 0.0142 from equation (1), and the vapor pressure drop ΔP = 10.8 mmHg of the aqueous solution.

また、別の結晶剤として例えばPEG4000を50wt%使用した場合には、PEG4000のモル質量は約4000gmol-1、水のモル質量は18gmol-1なので、式(1)より、モル分率(n2/n1)は0.0025になり、水溶液の蒸気圧降下ΔP=1.9mmHgとなる。 Further, when as another crystalline agent eg PEG4000 was used 50 wt%, the molar mass of PEG4000 is about 4000Gmol -1, molar mass of water so 18Gmol -1, the equation (1), the molar fraction (n 2 / N 1 ) becomes 0.0025, and the vapor pressure drop ΔP = 1.9 mmHg of the aqueous solution.

このように、タンパク質溶液滴中の蒸気圧を制御することができれば、リザーバー水溶液との蒸気圧差を使用することなく、タンパク質の結晶を確実に成長させることが可能になる。そこで、タンパク質結晶成長装置1では、タンパク質及び結晶化剤からなる混合水溶液を用いて、チャンバー部3の気圧を制御することにより、タンパク質溶液滴中の蒸気圧を制御する。   Thus, if the vapor pressure in the protein solution droplet can be controlled, it is possible to reliably grow protein crystals without using the vapor pressure difference with the aqueous reservoir solution. Therefore, in the protein crystal growth apparatus 1, the vapor pressure in the protein solution droplet is controlled by controlling the atmospheric pressure in the chamber unit 3 using a mixed aqueous solution composed of protein and a crystallization agent.

(4−2)チャンバー部3における蒸気圧変化の検討
次に、タンパク質結晶成長装置1のチャンバー部3における蒸気圧変化について検討する。チャンバー部3内の温度が一定のとき、チャンバー部3内の体積と気圧との積は一定になることから(ボイルの法則)、気圧変化ΔP及び体積変化ΔVの関係は、下記式(2)で表わされる。
(ΔP/P)=−(ΔV/V) …(2)
(4-2) Examination of Vapor Pressure Change in Chamber Part 3 Next, a vapor pressure change in the chamber part 3 of the protein crystal growth apparatus 1 will be examined. When the temperature in the chamber part 3 is constant, the product of the volume in the chamber part 3 and the atmospheric pressure is constant (Boyle's law), so the relationship between the atmospheric pressure change ΔP and the volume change ΔV is expressed by the following equation (2) It is represented by
(ΔP / P) = − (ΔV / V) (2)

ここで、タンパク質結晶成長装置1のチャンバー部3内の最大体積変化を(ΔV)max、最小体積変化を(ΔV)min、チャンバー部3内の最大気圧変化を(ΔP)max、及び最小気圧変化を(ΔP)minとすると、最大気圧変化(ΔP)max、及び、最小気圧変化(ΔP)minは、それぞれ、下記式(3)及び式(4)により求めることが可能となる。
(ΔP)max=−P(ΔV)max/V …(3)
(ΔP)min=−P(ΔV)min/V …(4)
Here, the maximum volume change in the chamber 3 of the protein crystal growth apparatus 1 is (ΔV) max, the minimum volume change is (ΔV) min, the maximum pressure change in the chamber 3 is (ΔP) max, and the minimum pressure change. Is (ΔP) min, the maximum atmospheric pressure change (ΔP) max and the minimum atmospheric pressure change (ΔP) min can be obtained by the following equations (3) and (4), respectively.
(ΔP) max = −P (ΔV) max / V (3)
(ΔP) min = −P (ΔV) min / V (4)

一例として、タンパク質結晶成長装置1のチャンバー部3の(ΔV)maxを30×103mm3、(ΔV)minを0.3×103mm3とし、それぞれの値を、上記式(3)及び式(4)に代入すると、(ΔP)maxは22mmHg、(ΔP)minは0.2mmHgとなる。 As an example, (ΔV) max of the chamber portion 3 of the protein crystal growth apparatus 1 is set to 30 × 10 3 mm 3 and (ΔV) min is set to 0.3 × 10 3 mm 3 , and the respective values are expressed by the above formula (3). When substituting into the equation (4), (ΔP) max is 22 mmHg, and (ΔP) min is 0.2 mmHg.

以上の例では、タンパク質結晶成長装置1のチャンバー部3は、タンパク質の結晶を成長させるために0.2〜22mmHgの間での蒸気圧変化を可能としている。   In the above example, the chamber part 3 of the protein crystal growth apparatus 1 is capable of changing the vapor pressure between 0.2 and 22 mmHg in order to grow protein crystals.

(4−3)チャンバー部3における蒸気圧降下の検討
水Mμl蒸発させるために要する蒸気圧の降下値ΔPを検討すると、まず、水1μlが水蒸気になった場合に占める体積Vは、1.24×103mm3であるので、上述の如く式(2)に代入すると、水Mμl蒸発させるために要する蒸気圧の降下値ΔPは、下記式(5)で表わされる。
ΔP=−PM(1.24/103)=−1.24×10-3PM …(5)
ゆえに、水1μl(M=1)を1気圧(P=760mmHg)下で蒸発させるためには、タンパク質結晶成長装置1が−0.94mmHgの減圧を行えばよいことになる。
(4-3) Examination of Vapor Pressure Drop in Chamber Part 3 Examining the drop value ΔP of the vapor pressure required for evaporating water M μl, first, the volume V occupied when 1 μl of water becomes water vapor is 1.24. Since it is × 10 3 mm 3 , if it is substituted into the equation (2) as described above, the drop value ΔP of the vapor pressure required to evaporate M μl of water is expressed by the following equation (5).
ΔP = −PM (1.24 / 10 3 ) = − 1.24 × 10 −3 PM (5)
Therefore, in order to evaporate 1 μl of water (M = 1) under 1 atm (P = 760 mmHg), the protein crystal growth apparatus 1 has only to reduce the pressure to −0.94 mmHg.

(4−4)本発明によるタンパク質の結晶成長方法
次に、溶解状態図による結晶成長相図に基づいて、本実施形態におけるタンパク質の結晶成長工程について説明する。図7は、本発明の一実施形態に基づいてタンパク質の結晶成長の相図の一例を溶解状態図であり、図8は、本発明の一実施形態で用いるタンパク質及び結晶化剤(リザーバー)溶液の混合液の濃度の一例を示す溶解状態図である。また、図9は、図2Aにおけるチャンバー部3の側面図である。
(4-4) Protein Crystal Growth Method According to the Present Invention Next, a protein crystal growth process in the present embodiment will be described based on a crystal growth phase diagram based on a dissolution state diagram. FIG. 7 is a dissolution state diagram of an example of a phase diagram of protein crystal growth according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a protein and crystallization agent (reservoir) solution used in an embodiment of the present invention. It is a melt | dissolution state figure which shows an example of the density | concentration of the liquid mixture. FIG. 9 is a side view of the chamber portion 3 in FIG. 2A.

まず、図9に示すとおり、チャンバー部3内のホール部32に、タンパク質注入部61から注入されたタンパク質、結晶化剤注入部62から注入された結晶化剤、及び水注入部63から注入された水からなる混合水溶液15(混合液)が注入され、混合水溶液15にタンパク質の種結晶16を入れる。このとき、溶解状態図上では、タンパク質の状態は、タンパク質濃度(Cpa)と、結晶化剤濃度(Cca)とが(m1+m2):m3となる初期状態(CdropA:Va)に位置する(図7に示すプロセスP0)。   First, as shown in FIG. 9, the protein injected from the protein injection part 61, the crystallization agent injected from the crystallization agent injection part 62, and the water injection part 63 are injected into the hole part 32 in the chamber part 3. A mixed aqueous solution 15 (mixed solution) made of pure water is injected, and a protein seed crystal 16 is put into the mixed aqueous solution 15. At this time, on the dissolution diagram, the protein state is located in the initial state (CdropA: Va) in which the protein concentration (Cpa) and the crystallization agent concentration (Cca) are (m1 + m2): m3 (FIG. 7). Process P0).

制御部2は、気圧調整部4に対し、チャンバー部3が減圧するように制御し、混合水溶液15中の水分を蒸発させていくと、図7に示す如く、タンパク質濃度及び結晶化剤濃度が上昇し、原点を通る右上がりの直線上を移動する(図7に示すプロセスP1)。   The control unit 2 controls the pressure adjusting unit 4 so that the chamber unit 3 is depressurized, and when the water in the mixed aqueous solution 15 is evaporated, the protein concentration and the crystallization agent concentration are changed as shown in FIG. Ascend and move on a straight line rising right through the origin (process P1 shown in FIG. 7).

それから、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)が図7に示す過飽和曲線C2を上回ると、つまり、制御部2が、検出部8での検出結果に基づいて、1個の結晶核が形成し始めたと判断すると、混合水溶液15中の水分の蒸発を停止させる(図7に示すプロセスP2)。これにより、多くの結晶核にタンパク質が分散することを回避し、結晶を大きく成長させることが可能となる。   Then, when the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) exceeds the supersaturation curve C2 shown in FIG. 7, that is, the control unit 2 determines one crystal based on the detection result in the detection unit 8. If it is determined that nuclei have started to form, the evaporation of moisture in the mixed aqueous solution 15 is stopped (process P2 shown in FIG. 7). Thereby, it is possible to avoid the protein from being dispersed in many crystal nuclei and to grow the crystal greatly.

混合水溶液15内にあるタンパク質分子は結晶核の成長のために消費されることにより、混合水溶液15中のタンパク質濃度は低下し、タンパク質の状態は準安定領域A2に到達する(図7に示すプロセスP3)。準安定領域A2では、新たな結晶核は形成されないので、プロセスP1の工程によって形成された1個の結晶核のみが成長し続ける。混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)は、溶解度曲線C1に到達する(図7に示すプロセスP4,CdropB:Vb)と、結晶核の成長が停止する。なお、この段階で結晶核が所望の大きさ(好ましくは1mm3以上)に成長していれば、タンパク質結晶成長装置1の運転を終了する。 The protein molecules in the mixed aqueous solution 15 are consumed for the growth of crystal nuclei, so that the protein concentration in the mixed aqueous solution 15 decreases and the protein state reaches the metastable region A2 (process shown in FIG. 7). P3). In the metastable region A2, no new crystal nucleus is formed, so that only one crystal nucleus formed by the process P1 continues to grow. When the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) reaches the solubility curve C1 (process P4, CdropB: Vb shown in FIG. 7), the growth of crystal nuclei stops. If the crystal nucleus has grown to a desired size (preferably 1 mm 3 or more) at this stage, the operation of the protein crystal growth apparatus 1 is terminated.

続けて、制御部2は、タンパク質注入部61に接続された電磁弁64を開放し、混合水溶液15にタンパク質の原液を所定量注入する(図7に示すプロセスP5)。なお、プロセスP5における未飽和領域A1では、プロセスP2乃至P4において酸化された結晶核の表面が溶解される。このとき、結晶化剤は注入しないので、混合水溶液15中のタンパク質の濃度が上昇する(濃くなる)一方、混合水溶液15中の結晶化剤の濃度は下降し(薄くなり)、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度の状態)が初期状態(CdropA:Va)になる(図7に示すプロセスP6)。   Subsequently, the control unit 2 opens the electromagnetic valve 64 connected to the protein injection unit 61, and injects a predetermined amount of the protein stock solution into the mixed aqueous solution 15 (process P5 shown in FIG. 7). In the unsaturated region A1 in the process P5, the surface of the crystal nucleus oxidized in the processes P2 to P4 is dissolved. At this time, since the crystallization agent is not injected, the concentration of the protein in the mixed aqueous solution 15 is increased (increased), while the concentration of the crystallization agent in the mixed aqueous solution 15 is decreased (decreased). The state (state of protein concentration and crystallization agent concentration) becomes the initial state (CdropA: Va) (process P6 shown in FIG. 7).

ここで、タンパク質原液を注入して混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)を初期状態(CdropA:Va)にする方法を図8に示す溶解状態図を用いて更に説明する。   Here, a method of injecting a protein stock solution to bring the mixed aqueous solution 15 into a state (protein concentration and crystallization agent concentration) (CdropA: Va) will be further described with reference to a dissolution state diagram shown in FIG.

本実施形態では、タンパク質原液の濃度及び体積は、それぞれ(Cp0)及び(Vp0)とし、結晶化剤の濃度及び体積は、(Cc0)及び(Vc0)とする。また、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)(CdropB)時における混合液中のタンパク質濃度、結晶化濃度、及び体積は、それぞれ(Cpb)、(Ccb)、及び(Vb)とする。さらに、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)(CdropA)時における混合液中のタンパク質濃度、結晶化濃度、及び体積は、それぞれ(Cpa)、(Cca)、及び(Va)とする。また、タンパク質原液と結晶化剤とは、下記式(6)乃至式(8)で示される濃度比を有する。
|0−(Cca)|=|(Cpa)−(Cp0)|=m1 …(6)
|(Cca)−(Ccb)|=|(Cpb)−(Cpa)|=m2 …(7)
|(Ccb)−(Cc0)|=|0−(Cpb)|=m3 …(8)
In this embodiment, the concentration and volume of the protein stock solution are (Cp0) and (Vp0), respectively, and the concentration and volume of the crystallization agent are (Cc0) and (Vc0). In addition, the protein concentration, crystallization concentration, and volume in the mixed solution in the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) (CdropB) are (Cpb), (Ccb), and (Vb), respectively. To do. Furthermore, the protein concentration, the crystallization concentration, and the volume in the mixed solution at the time of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) (CdropA) are (Cpa), (Cca), and (Va), respectively. To do. The protein stock solution and the crystallization agent have a concentration ratio represented by the following formulas (6) to (8).
| 0- (Cca) | = | (Cpa)-(Cp0) | = m1 (6)
| (Cca) − (Ccb) | = | (Cpb) − (Cpa) | = m2 (7)
| (Ccb) − (Cc0) | = | 0− (Cpb) | = m3 (8)

ゆえに、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)(CdropB)では、制御部2は、(Vc0):(Vp0)=(m1+m2):m3を満たすように混合液を作製し、タンパク質の状態(CdropA)では、(Vb):(Vp0)=m1:m2を満たすようにタンパク質の原液を注入すればよい。   Therefore, in the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) (CdropB), the control unit 2 prepares a mixed solution so as to satisfy (Vc0) :( Vp0) = (m1 + m2): m3, and In the state (CdropA), the protein stock solution may be injected so as to satisfy (Vb) :( Vp0) = m1: m2.

制御部2は、再び、気圧調整部4に対し、チャンバー部3内を減圧するように制御し、混合水溶液15中の水分を蒸発させる(図7に示すプロセスP7)。また、制御部2は、検出部8での検出結果に基づいて、1個の結晶核が形成し始めたと判断すると、混合水溶液15中の水分の蒸発を停止させる(図7に示すプロセスP8及びP9)。プロセスP8における結晶化剤の濃度は、プロセスP2におけるその濃度に比して薄いので、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)は、図7において、プロセスP2の位置より手前で降下することとなる。   The control unit 2 again controls the atmospheric pressure adjustment unit 4 to depressurize the inside of the chamber unit 3 to evaporate water in the mixed aqueous solution 15 (process P7 shown in FIG. 7). Further, when the control unit 2 determines that one crystal nucleus starts to be formed based on the detection result of the detection unit 8, the control unit 2 stops the evaporation of moisture in the mixed aqueous solution 15 (process P8 and process shown in FIG. 7). P9). Since the concentration of the crystallization agent in the process P8 is thinner than that in the process P2, the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) is lowered before the position of the process P2 in FIG. Will be.

混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)が、溶解度曲線C1に到達すると(図7に示すプロセスP10)、制御部2は、タンパク質注入部6に接続された電磁弁を開放し、混合水溶液15にタンパク質の原液を所定量注入することで、混合水溶液15の状態(タンパク質濃度及び結晶化剤濃度)を初期状態(Cdrop)にする(図7に示すプロセスP11)。   When the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) reaches the solubility curve C1 (process P10 shown in FIG. 7), the control unit 2 opens the electromagnetic valve connected to the protein injection unit 6, By injecting a predetermined amount of the protein stock solution into the mixed aqueous solution 15, the state of the mixed aqueous solution 15 (protein concentration and crystallization agent concentration) is set to the initial state (Cdrop) (process P11 shown in FIG. 7).

以上のとおり、制御部2は、蒸気拡散(プロセスP0,P1,P2,及びプロセスP6,P7,P8)、結晶成長(プロセスP2,P3,P4,及びプロセスP8,P9,P10)、結晶核の表面溶解(プロセスP4,P5,P0,及びプロセスP10,P11,P6)の工程を繰り返し、所望の大きさに成長した結晶核が自動形成領域に到達した際に該結晶核を取り出し、本実施形態の成長工程を終了する。   As described above, the control unit 2 performs vapor diffusion (process P0, P1, P2, and process P6, P7, P8), crystal growth (process P2, P3, P4, and process P8, P9, P10), crystal nucleus The steps of surface dissolution (process P4, P5, P0, and process P10, P11, P6) are repeated, and when the crystal nucleus grown to a desired size reaches the automatic formation region, the crystal nucleus is taken out. The growth process is completed.

このような構成を有する本発明によるタンパク質結晶成長装置及びタンパク質結晶成長方法によれば、蒸気拡散法による結晶育成方法を応用し、結晶化剤(リザーバー、沈殿剤)水溶液との蒸気圧差を用いず、その代わりに、タンパク質溶液滴中の蒸気圧を溶解状態図による結晶成長相図に基づいて制御することにより、タンパク質を所望の大きさに、且つ、良質な結晶に再現性よく成長させることができる。よって、かかる大型のタンパク質結晶を中性子回折法によって構造解析する際に、タンパク質中に存在する水由来の原子核(プロトン)に中性子を確実に照射し、その散乱解析によって、タンパク質中の水素原子やプロトンの位置情報を選択的に取得し、それらを含むタンパク質の立体構造をより詳細に解析することが可能となる。   According to the protein crystal growth apparatus and protein crystal growth method of the present invention having such a configuration, the crystal growth method by the vapor diffusion method is applied, and the vapor pressure difference with the aqueous solution of the crystallization agent (reservoir, precipitation agent) is not used. Instead, by controlling the vapor pressure in the protein solution droplet based on the crystal growth phase diagram based on the dissolution phase diagram, the protein can be grown to a desired size and to a good quality crystal with good reproducibility. it can. Therefore, when structural analysis of such a large protein crystal is performed by neutron diffraction, neutrons are reliably irradiated to the water-derived nuclei (protons) present in the protein, and the scattering analysis analyzes the hydrogen atoms and protons in the protein. It is possible to selectively acquire the positional information of the proteins and to analyze the three-dimensional structure of the protein containing them in more detail.

特に、準安定領域A2でタンパク質の結晶核を成長させることにより、従来、蒸気圧差に伴って生じる水分の蒸発を定量的に制御する困難性や、タンパク質溶液滴にタンパク質水溶液を添加する困難性等といった作業上の手間や制御の煩雑さを解決することができる。また、結晶育成を不活性ガス雰囲気下で実施するので、タンパク質の結晶表面の酸化を防止することができる。   In particular, by growing protein crystal nuclei in the metastable region A2, it has been difficult to quantitatively control the evaporation of water conventionally caused by the difference in vapor pressure, the difficulty of adding an aqueous protein solution to a protein solution droplet, etc. It is possible to solve such troubles in work and complexity of control. In addition, since crystal growth is performed in an inert gas atmosphere, protein crystal surface oxidation can be prevented.

以上説明したとおり、本発明のタンパク質結晶成長方法、及びその装置によれば、大型で且つ良質なタンパク質結晶を再現性よく得ることができ、中性子回折法による構造解析によって、タンパク質中の水素原子やプロトンの位置情報を選択的に取得し、それらを含むタンパク質の立体構造をより詳細に解析することが可能となるので、これまで、困難であった類のタンパク質構造解析に広くかつ有効に利用することができる。   As described above, according to the protein crystal growth method and apparatus of the present invention, a large-sized and high-quality protein crystal can be obtained with good reproducibility, and by structural analysis by neutron diffraction method, Proton position information can be acquired selectively and the three-dimensional structure of the protein containing them can be analyzed in more detail, so it is widely and effectively used for protein structure analysis that has been difficult until now. be able to.

1…タンパク質結晶成長装置、15…混合水溶液、16…種結晶、2…制御部、3…チャンバー部、31…結晶成長基板、32…ホール部、33,34,35…接続部、36…ガス接続部(端部)、37…ガス経路部(第1経路)、38…水溶液接続部(端部)、39…水溶液経路部(第2経路)、4…気圧調整部、42…電磁弁、5…ガス調整部、53…窒素ガス供給バルブ、54…大気開放バルブ、6…注入部、61…タンパク質注入部、62…結晶化剤注入部、63…水注入部、64,65,66…電磁弁、7…センサー部、8…検出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Protein crystal growth apparatus, 15 ... Mixed aqueous solution, 16 ... Seed crystal, 2 ... Control part, 3 ... Chamber part, 31 ... Crystal growth substrate, 32 ... Hole part, 33, 34, 35 ... Connection part, 36 ... Gas Connection part (end part), 37 ... Gas path part (first path), 38 ... Aqueous solution connection part (end part), 39 ... Aqueous solution path part (second path), 4 ... Pressure adjustment part, 42 ... Solenoid valve, DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Gas adjustment part, 53 ... Nitrogen gas supply valve, 54 ... Atmospheric release valve, 6 ... Injection | pouring part, 61 ... Protein injection | pouring part, 62 ... Crystallizer injection | pouring part, 63 ... Water injection | pouring part, 64, 65, 66 ... Solenoid valve, 7 ... sensor part, 8 ... detection part.

Claims (16)

タンパク質溶液及び結晶化剤溶液が供給されるチャンバー部と、
前記チャンバー部内に、前記タンパク質溶液を供給するタンパク質溶液供給部と、
前記チャンバー部内に、前記結晶化剤溶液を供給する結晶化剤溶液供給部と、
前記チャンバー部内に収容された前記タンパク質溶液及び前記結晶化剤溶液の混合液における前記タンパク質の濃度と前記結晶化剤の濃度との関係を、該タンパク質及び該結晶化剤の溶解状態図における未飽和領域と、準安定領域と、自動核形成領域との間で、調節する制御部と、
を備え
前記制御部は、前記未飽和領域から前記自動核形成領域を経て前記準安定領域へ遷移するプロセスサイクルを繰り返す制御を行う、
タンパク質結晶成長装置。
A chamber portion to which a protein solution and a crystallization agent solution are supplied;
In the chamber part, a protein solution supply part for supplying the protein solution;
In the chamber part, a crystallization agent solution supply part for supplying the crystallization agent solution;
The relationship between the concentration of the protein and the concentration of the crystallization agent in the mixed solution of the protein solution and the crystallization agent solution accommodated in the chamber portion is not saturated in the dissolution state diagram of the protein and the crystallization agent. A controller that adjusts between the region, the metastable region, and the automatic nucleation region;
Equipped with a,
The control unit performs control to repeat a process cycle of transition from the unsaturated region to the metastable region through the automatic nucleation region,
Protein crystal growth device.
前記制御部に接続され、且つ、前記チャンバー部内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記制御部に接続され、且つ、前記チャンバー部内を減圧する減圧部と、
前記制御部に接続され、且つ、前記チャンバー部内の減圧を停止する減圧停止部と、
前記制御部に接続され、且つ、前記チャンバー部内を加圧する加圧部と、
を備える請求項1記載のタンパク質結晶成長装置。
An inert gas supply unit connected to the control unit and supplying an inert gas into the chamber unit;
A decompression unit connected to the control unit and decompressing the inside of the chamber unit;
A depressurization stop unit that is connected to the control unit and stops depressurization in the chamber unit;
A pressurizing unit connected to the control unit and pressurizing the inside of the chamber unit;
A protein crystal growth apparatus according to claim 1.
前記タンパク質溶液供給部は、前記制御部に接続されており、
前記結晶化剤溶液供給部は、前記制御部に接続されている、
請求項1又は2記載のタンパク質結晶成長装置。
The protein solution supply unit is connected to the control unit,
The crystallization agent solution supply unit is connected to the control unit,
The protein crystal growth apparatus according to claim 1 or 2.
前記チャンバー部は、成長する前記タンパク質の結晶を保持する基板を備え、
前記基板は、前記不活性ガスが供給され、且つ、前記タンパク質溶液及び前記結晶化剤溶液又は前記混合液が注入されるホール部と、前記不活性ガスが流通する第1経路と、前記タンパク質溶液が流通する第2経路とを有し、
前記第1経路は、前記ホール部の上部と前記基板の端部とを接続し、且つ、前記基板の上面に沿って形成され、
前記第2経路は、前記ホール部の下部と前記基板の端部とを接続し、且つ前記基板の底面に沿って形成される、
請求項1〜3のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長装置。
The chamber portion includes a substrate that holds crystals of the protein to be grown,
The substrate is supplied with the inert gas, and a hole portion into which the protein solution and the crystallization agent solution or the mixed solution are injected, a first path through which the inert gas flows, and the protein solution And a second route through which
The first path connects an upper portion of the hole portion and an end portion of the substrate, and is formed along the upper surface of the substrate.
The second path connects the lower part of the hole and the end of the substrate, and is formed along the bottom surface of the substrate.
The protein crystal growth apparatus of any one of Claims 1-3.
前記制御部は、前記減圧部と前記減圧停止部とを交互に及び/又は繰り返し動作させる、
請求項1〜4のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長装置。
The control unit operates the decompression unit and the decompression stop unit alternately and / or repeatedly,
The protein crystal growth apparatus of any one of Claims 1-4.
前記制御部に接続され、且つ、前記タンパク質の結晶の状態を検出する検出部を有する、
請求項1〜5のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長装置。
A detection unit connected to the control unit and detecting a state of the protein crystal;
The protein crystal growth apparatus of any one of Claims 1-5.
前記検出部は、前記タンパク質における結晶の成長状態、及び/又は、前記タンパク質における結晶表面の溶解状態を検出する、
請求項6記載のタンパク質結晶成長装置。
The detection unit detects a crystal growth state in the protein and / or a crystal surface dissolution state in the protein;
The protein crystal growth apparatus according to claim 6.
前記制御部は、前記チャンバー部内に前記タンパク質の種結晶が予め収容された状態、又は、前記チャンバー部内で前記タンパク質の種結晶が形成された状態から、前記減圧部を動作させて前記チャンバー部内を減圧し、前記混合液中の水分を蒸発させることにより、前記タンパク質及び前記結晶化剤の溶解状態図において、前記混合液の状態を、前記未飽和領域から前記自動核形成領域へ遷移させて前記種結晶の成長を開始した後、前記減圧停止部を動作させて前記チャンバー部内の減圧を停止させ、前記タンパク質溶液中の前記タンパク質を前記タンパク質の結晶の成長に用いて前記混合液中の前記タンパク質の濃度を低下させることにより、前記混合液の状態を、前記自動核形成領域から前記準安定領域を経て前記未飽和領域へ遷移させる、
請求項1〜7のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長装置。
The control unit operates the decompression unit in a state in which the protein seed crystal is accommodated in the chamber part in advance or in a state in which the protein seed crystal is formed in the chamber part. By reducing the pressure and evaporating the water in the mixed solution, the state of the mixed solution is transitioned from the unsaturated region to the automatic nucleation region in the dissolution state diagram of the protein and the crystallization agent. After starting the growth of the seed crystal, the decompression stop portion is operated to stop the decompression in the chamber portion, and the protein in the protein solution is used for the growth of the protein crystals to use the protein in the protein solution. By reducing the concentration of the mixture, the state of the mixed solution is changed from the automatic nucleation region to the unsaturated region through the metastable region. That,
The protein crystal growth apparatus of any one of Claims 1-7.
前記制御部は、前記タンパク質溶液供給部を動作させて前記未飽和領域に到達した前記混合液に、前記タンパク質溶液を供給して前記混合液中の前記タンパク質濃度を増加させる
請求項8記載のタンパク質結晶成長装置。
The protein according to claim 8, wherein the control unit operates the protein solution supply unit to supply the protein solution to the mixed solution that has reached the unsaturated region to increase the protein concentration in the mixed solution. Crystal growth equipment.
チャンバー部内に、タンパク質溶液を供給するステップと、
前記チャンバー部内に、結晶化剤溶液を供給するステップと、
前記チャンバー部内に収容された前記タンパク質溶液及び前記結晶化剤溶液の混合液における前記タンパク質の濃度と前記結晶化剤の濃度との関係を、該タンパク質及び該結晶化剤の溶解状態図における未飽和領域と、準安定領域と、自動核形成領域との間で、調節するステップと、
を含み、
前記未飽和領域から前記自動核形成領域を経て前記準安定領域へ遷移するプロセスサイクルを繰り返す
タンパク質結晶成長方法。
Supplying a protein solution into the chamber;
Supplying a crystallization agent solution into the chamber part;
The relationship between the concentration of the protein and the concentration of the crystallization agent in the mixed solution of the protein solution and the crystallization agent solution accommodated in the chamber portion is not saturated in the dissolution state diagram of the protein and the crystallization agent. Adjusting between the region, the metastable region, and the autonucleation region;
Only including,
Repeating the process cycle of transitioning from the unsaturated region to the metastable region through the automatic nucleation region ,
Protein crystal growth method.
前記混合液が収容された前記チャンバー内を不活性ガスで置換するステップと、
前記チャンバー部内に前記タンパク質の種結晶を予め収容した状態、又は、前記チャンバー内で前記タンパク質の種結晶を形成させた状態から、前記チャンバー部内を減圧するステップと、
前記タンパク質の結晶が成長を開始したときに、前記チャンバー部内の減圧を停止するステップと、
前記タンパク質の結晶表面が溶解したときに、前記混合液に前記タンパク質溶液を供給するステップと、
を含む請求項10記載のタンパク質結晶成長方法。
Replacing the inside of the chamber containing the mixed solution with an inert gas;
Depressurizing the inside of the chamber part from a state in which the protein seed crystal is preliminarily accommodated in the chamber part or a state in which the protein seed crystal is formed in the chamber;
Stopping the decompression in the chamber when the protein crystal begins to grow;
Supplying the protein solution to the mixed solution when the crystal surface of the protein is dissolved;
The method for growing protein crystals according to claim 10.
前記減圧するステップと、前記減圧を停止するステップとを交互に及び/又は繰り返し実行する、
請求項11記載のタンパク質結晶成長方法。
Alternately and / or repeatedly performing the depressurizing step and the depressurizing step.
The protein crystal growth method according to claim 11.
前記タンパク質の結晶の状態を検出するステップを含む、
請求項10〜12のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長方法。
Detecting the crystalline state of the protein,
The protein crystal growth method according to any one of claims 10 to 12.
前記タンパク質の結晶の状態を検出するステップにおいては、前記タンパク質における結晶の成長状態、及び/又は、前記タンパク質における結晶表面の溶解状態を検出する、
請求項13記載のタンパク質結晶成長方法。
In the step of detecting the crystal state of the protein, the crystal growth state in the protein and / or the dissolution state of the crystal surface in the protein are detected.
The protein crystal growth method according to claim 13.
前記チャンバー部内に前記タンパク質の種結晶を予め収容した状態、又は、前記チャンバー部内で前記タンパク質の種結晶を形成させた状態から、前記チャンバー部内を減圧し、前記混合液中の水分を蒸発させることにより、前記タンパク質及び前記結晶化剤の溶解状態図において、前記混合液の状態を、前記未飽和領域から前記自動核形成領域へ遷移させて前記種結晶の成長を開始した後、前記チャンバー部内の減圧を停止し、前記タンパク質溶液中の前記タンパク質を前記タンパク質の結晶の成長に用いて前記混合液中の前記タンパク質の濃度を低下させることにより、前記混合液の状態を、前記自動核形成領域から前記準安定領域を経て前記未飽和領域へ遷移させる、
請求項10〜14のいずれか1項記載のタンパク質結晶成長方法。
From the state in which the protein seed crystal is preliminarily accommodated in the chamber part or the state in which the protein seed crystal is formed in the chamber part, the inside of the chamber part is decompressed to evaporate water in the mixed solution. Thus, in the dissolution state diagram of the protein and the crystallization agent, after the transition of the state of the mixed solution from the unsaturated region to the automatic nucleation region to start the growth of the seed crystal, By stopping the decompression and using the protein in the protein solution for the growth of the protein crystals to reduce the concentration of the protein in the mixed solution, the state of the mixed solution is changed from the automatic nucleation region. Transition to the unsaturated region via the metastable region,
The protein crystal growth method according to any one of claims 10 to 14.
前記未飽和領域に到達した前記混合液に、前記タンパク質溶液を供給して前記混合液中の前記タンパク質濃度を増加させる、
請求項15記載のタンパク質結晶成長方法。
Supplying the protein solution to the mixed solution that has reached the unsaturated region to increase the protein concentration in the mixed solution;
The protein crystal growth method according to claim 15.
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