マイタケに含まれるタンパク質分解酵素についての研究〜視覚的変化による分解速度の数値化〜
武⽣⾼校 探究理科
abstract
In our study, we focused on a component unique to Maitake mushrooms: proteolytic enzymes.
This material breaks down proteins. So we got interested in this behavior and tried numericalconversion of the materials behavior by observing the change in appearance. As a method ofquantification, the phenomenon that the white turbidity (casein micelle) of skim milk powder isdecomposed by protease and becomes transparent is quantified by the change of turbidity using thesmartphone application Color Analyzer .
はじめにマイタケは普段から私たちの⾷卓に並ぶ⾝近に感じられる⾷品の⼀つである。この⾝近さゆえに「マイタケダイエット」や「マイタケを茶碗蒸しに⼊れると固まらない」といったマイタケにまつわる話が⽇ごろから散⾒される。そこで今回私たちはマイタケに含まれるタンパク質分解酵素であるプロテアーゼに着⽬することにした。
⽬的
私達はこのタンパク質分解酵素に着⽬し、マイタケを⽤いて酵素がタンパク質を分解する反応の速度を数値化し、反応の過程をより鮮明かつ正確に読み取れるのではないかと考えた。
事前実験 実験⽅法
まず初めに実際にマイタケに含まれるタンパク質分解酵素プロテアーゼの効果を⾒るために事前の簡易実験として以下の実験を⾏った。以下の実験を実験①とする。
実験①
この実験ではまずタンパク質を分解する反応の様⼦や時間経過による変化を調べるためにゼラチンを⽤いて実験を⾏った。ゼラチンの特徴として「コラーゲンを⻑時間熱⽔処理した際に得られる⽔溶性たんぱく質の総称で、多くの場合は2本または3本のペプチド結合したものが⼀部に⽣じる」という特徴がある。そのためペプチド結合の加⽔分解を触媒とする酵素であるプロテアーゼとの反応を⾒ることでマイタケのタンパク質分解酵素の分解を観察できる。
実験対象①ゼラチンのみのもの②ゼラチンの上にマイタケの個体をのせたもの③ゼラチンの中に初めからマイタケの個体を⼊れたもの④ゼラチンにマイタケの汁を⼊れたものの4つの試験管を⽤意して分解過程を調べた。
実験結果 ①と②③④との⽐較実験開始直後は、①と④との違いが明らかにみられ、①に対して④は液化していて分解反応が進⾏していることが伺えた。②③に関しては直後は変化がなかったが、1週間程時間をあけ再び観察をすると固体であったゼラチンは分解され、こちらも反応が伺えた。以下の表が結果である。

実験①における結果
実験直後

①反応なし

1週間後

反応なし

②反応なし

③反応なし

④
分解反応が⾒られた
分解反応がみられ 分解反応が⾒られ 分解反応がみられた
た
た

考察と次の実験へ
実験によりマイタケのタンパク質分解反応が起こることが⽰された。ここでマイタケを固体として扱うと時間を多く要することがわかった。反応速度を⾒る上で、このことは実験の記録をとるうえで不都合であるため、汁、すなわち液体にしたものを今後の実験で利⽤する⽅が適していると考えられる。
実験② 反応速度の可視化について
丸⼭虎徹⽒、冨岡寛顕⽒の「プロテアーゼの作⽤を短時間で視覚的に⽰す実験法の開発」の論⽂を参考に実験を⾏うことにした。この実験では脱脂粉乳を⽤いてタンパク質分解反応を観察する。この反応では、脱脂粉乳はカゼインミセルによってのみ⽩⾊を呈しており、プロテアーゼ処理によってカゼインが分解されるとミセル形成能が低下し、脱脂粉乳溶液が透明化するため、これを⽤いて反応の進⾏を判断する。
実験⽅法②
脱脂粉乳⽔溶液にそれぞれ消化酵素剤⽔溶液、マイタケ⽔溶液(黒、⽩)を加える。その後、それぞれの反応を観察した。
右の写真（実験② 写真）で左から順に①何も加えなかったもの②消化酵素剤を加えたもの③マイタケ（⽩）を加えたもの④マイタケ（黒）を加えたものとする
実験結果②
マイタケ⽔溶液、消化酵素剤⽔溶液のどちらも20分程度で透明度が⾼くなり、タンパク質の分解反応が起こることがわかった。
「実験② 写真」が実験の様⼦である。
実験③ 分解反応の速度測定
この実験では、プロテアーゼによる脱脂粉乳の濁度の変化を利⽤する。そこで実験③では脱脂粉乳にマイタケ⽔溶液と消化酵素剤をそれぞれ⼊れて反応を調べた。消化酵素剤を利⽤した理由については、⽣物は個体差が激しいので基準値を設けるために利⽤した。濁度の変化を数値化するにあたり、スマートフォン向けアプリである「Color analyzer」を使⽤して、溶液の⾊をカラーコード化し、その数値を追いながら、分解速度を測定していく。
※カラーコード:光の三原⾊である、⾚、⻘、緑をそれぞれ０からFの16進数で表した数値

実験装置について実験を⾏うにあたって、右のような実験装置を作成した。光源とカメラの間に実験対象物を挟むことで、実験対象物が⽩濁である時は光を通しづらくなるのに対し、透明化するにつれて光を通しやすくなるという仕組みになっている。右図は実験装置を図としたものである。
使⽤した溶液実験結果と考察
実験の前後で、カラーコードの数値は変化しなかった。原因を考えると、次の2つのことが挙げられる。
①使⽤した脱脂粉乳の濃度が低かったために、最初の段階から光を⼗分に通してしまい、⾊の変化を⾒れなかったこと。
②光源の明るさが強すぎたために、⽩濁時にも⼗分に光を通してしまったこと。
下の左の表は、時間変化におけるカラーコードの変化の数値化したもの、右の写真ではカメラが捉えていた実際の実験対象物である。
実験③結果（表と写真）

実験④（実験③の改良版）
前実験の変更と考察
実験④では以下の2つの点を改善した。１つ⽬は脱脂粉乳溶液の濃度を濃くすることである。実験③では⽩濁状態の時とミセルが分解されて透明になっているときとで、光の透過の違いを⾒出すことができなかった。そこ

で初期濃度を濃くすることで、反応前の光の透過を抑えることができるのではないかと考えた。２つ⽬は光源の強さを弱くすることである。理由は１つ⽬と同様に反応前後で光の透過の仕⽅に変化を持たせるためである。実験装置の概略図は右図に⽰してある。これによって実験④では反応前後で透過する光の違いを識別できるようになるのではないかと考えた。
結果
下図が実験における数値変化を⽰した。実験④でも各⾊における数値の変化がほとんどなかった。
実験④結果（表と写真）

結果からの考察実験④から2つの考察を考えた。1つ⽬は、はじめの脱脂粉乳濃度が⾼すぎたため、分解に時間がかかりすぎたことだ。そのため、30分の観察時間内に変化を読み取ることができなかった。2つ⽬は、⾚⾊の光を使って測定したことが実験に適していないということだ。⾚は波⻑が⻑く⽩濁した溶液も透過しやすく、それゆえ⽩濁時と透明時とで視覚的変化を⾒出すことができなくなる。
簡易実験（2つ⽬の考察より）
溶液の後ろから光をあて、透明時と⽩濁時とでの光の通過のしやすさを⽐較する。このとき使⽤する光の⾊は⽩⾊を⽤いる。理由としては、⽩⾊は可視光線を含む波⻑がまんべんなく含まれているためである。また溶液に関して、透明時は⽔、⽩濁時は⽜乳を⽤いて実験を⾏った。⽔を通過させたものは⽩⾊の光をそのまま通しているのに対して、⽩濁（⽜乳）を通したものは、波⻑の短い光が分散して、波⻑が⻑い⾚系の⾊だけが通過していることがわかる。下に⽰した写真は簡易実験における変化を⽰している。

今後の展望今回の実験では、実際に数値化することはできなかった。しかし実験を通して視覚的変化を数値化する過程における条件を絞り出すことができた。今後の展望としては、今回絞り出した条件を実際に実験装置に反映させて数値化を⾏うことである。また実験の試⾏時間に関しては、今回は限られた時間内のみでの観察となったため、時間的制約も数値化において⽀障となったが、今後実験⽅法の改善を重ねることで、実験の試⾏時間も拡⼤することができるだろう。
参考⽂献「プロテアーゼの作⽤を短時間で視覚的に⽰す実験法の開発」 丸⼭虎徹⽒、冨岡寛顕⽒「化学辞典（第2版）」 森北出版