生命維持に必須であるタンパク質は巧みに構造変化を起こすことから、タンパク質の複雑な機能と深い相関を持つ“動き”に興味が持たれてきました。最近、X線自由電子レーザー（XFEL）^（注1）を用いて、タンパク質の動きを原子レベルで動画として可視化する方法が確立されましたが、この方法が使えるのは光で反応するタンパク質に限られていました。今回、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授（理化学研究所放射光科学研究センター チームリーダー）、大和田成起主幹研究員（高輝度光科学研究センター　XFEL利用研究推進室　先端光源利用研究グループ　実験技術開発チーム）、久保 稔教授（兵庫県立大学大学院理学研究科）、岩田想教授（京都大学大学院医学研究科）およびカリフォルニア大学の共同研究グループは、近赤外線レーザーによって温度を急激に上昇させる方法を組み合わせた、新たな分子動画解析法を開発しました。これにより熱によって引き起こされる酵素内部の構造変化を捉えることに初めて成功しました。
　本研究成果は、2023年9月18日公開（現地時間）のNature Chemistry誌に掲載されました。

　詳細な説明　

　我々の体の主要な構成成分であるタンパク質は、複雑に折り畳まれた構造をとっています。その立体構造と機能は深く関連しており、機能を発揮する際には巧みに構造を変えることが知られています。タンパク質の機能を詳細に理解するには、そうした動きや変化を明らかにする必要がありますが、従来の方法では、タンパク質分子が素早く変化する過程を原子レベルで可視化することは困難でした。
　最近、X線自由電子レーザー（XFEL）が利用可能となり、XFELを用いた結晶構造解析法によって、数10フェムト秒という高い時間分解能且つ原子分解能でタンパク質の構造変化を“分子動画”として観察することが可能となりました。この方法では結晶内の分子を一斉に反応開始させる必要があるため、今までは光による反応開始が行われてきました。しかし、この方法は、光で反応を起こす試料にしか適用できないため、その適用は非常に限られていました。そこで今回、研究グループは急激な温度上昇（温度ジャンプ）を新たな反応開始法とし、分子動画観察するための技術開発を行いました。

　研究グループは、温度を急激に上昇させるために、近赤外線ナノ秒レーザーによる水分子の振動励起^（注2）による加熱を利用しました。また、構造変化を観察する方法としては、シリアルフェムト秒結晶構造解析（SFX）^（注3）の手法を用いることとし、日本のX線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLA^（注4）にて実験を行いました。試料としては、酵素の一種であるリゾチーム^（注5）結晶を用いました。近赤外線ナノ秒レーザーをリゾチーム結晶に照射し、一定の時間後（20ナノ秒、20マイクロ秒、200マイクロ秒後）に、今度はXFELを照射してそれぞれの回折像を得ました。そして、各時間において収集した実験データを元にリゾチームの立体構造を決定し、時間経過の順に並べることで構造変化を動画として捉えました。リゾチーム結晶は、基質などを何も含まない状態と阻害剤^（注6）を含む状態の二種類を用いて、それぞれ測定を行いました。
　この酵素は、阻害剤がない時には基質が結合する部分が開いた構造を示し、阻害剤が結合すると結合する部分が閉じた構造を示します。実験の結果、阻害剤を含まない酵素の場合は、速い時間スケール（20ナノ秒）にて、アミノ酸残基の側鎖の動きなどの小さな動きがみられ、遅い時間スケール（200マイクロ秒）では、“開閉”に関係する部分で、よりスケールの大きな構造変化が観察されました（図1）。一方、阻害剤を含む時には、どの時間スケールでも小さな動きしか観測されず、大きな構造変化はみられませんでした（図2）。
これらの結果から、タンパク質の機能に関係する、稼働しやすい部分は熱によって、構造変化を引き起こされることや、大きな構造変化を起こすにはより長い時間が必要であることが明らかとなりました。

 

東北大学多元物質科学研究所/（兼務）東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
教授　南後　恵理子（なんご　えりこ）
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