藤田 遼

京都大学医学研究科の南後恵理子研究員と岩田想教授らの研究グループが、膜タンパク質の構造変化を、動画として捉えることに世界で初めて成功した。研究成果は2016年12月23日に米国の科学雑誌Scienceに掲載された。

生体の主要な構成要素であるタンパク質は、光や化学物質などの刺激を受けてその立体構造が変化する。特に細胞膜を構成する膜タンパク質は、構造変化によって化学物質を輸送するポンプとして機能するなど、生体になくてはならない様々な働きをする。膜タンパク質は創薬の主要ターゲットであり、その構造や機能を詳しく解明することは重要である。

微小なタンパク質の立体構造を原子レベルで調べるためには、タンパク質の結晶にX線を照射し、出てきたX線の回折データを解析するという手順を踏む。しかし、測定のためにX線の照射を受けることで、タンパク質の構造は損傷してしまう。そのため、従来はタンパク質の止まっている形しか観測できなかった。

今回の研究では、X線自由電子レーザーという新しいレーザーを用いることで、タンパク質の動く様子を観測することに成功した。X線自由電子レーダーは、発光時間が10^{-14}秒以下という非常に短いパルス波を作り出せる。これを用いれば、X線の影響でタンパク質の構造が損傷を受ける前の微小な時間内に、複数の時点でタンパク質の立体構造を観測できる。結果を解析すると、コマ送り動画のようにしてタンパク質の動く様子がわかる。

実際に観測したのは、バクテリオロドプシンという膜タンパク質だ。バクテリオロドプシンは、可視光に反応して立体構造が変化し、細胞内の水素イオンを細胞外へ輸送するポンプの働きをする。今回の観測は、可視光を照射後10^{-9}~10^{-3}秒単位の13時点でたんぱく質の立体構造を捉えることに成功し、水素イオンが運ばれる仕組みを、「どの原子がどの位置にあるか」というレベルで明らかにした。 岩田教授は「歴史的に、例えば馬の歩く様子などは動画撮影の技術が確立して初めて正しく理解できるようになった。今回の成果は膜タンパク質の構造変化の理解において重要なブレイクスルーだ。」と話す。