広報活動

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2014年11月11日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人大阪大学
国立大学法人京都大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

連続フェムト秒結晶構造解析のための結晶供給手法を開発

-少量の試料で多様なタンパク質の結晶構造決定がSACLAで可能に-

連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)の仕組みの図

連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)の仕組み

創薬などの研究では、原子レベルでタンパク質の三次元結晶構造を決定することが求められてきています。これには、X線による結晶構造解析が適しています。理研と高輝度光科学研究センターが共同で建設し、運用するX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」は、大型放射光施設「SPring-8」に比べ10億倍も明るいX線レーザー光を、10フェムト秒(1フェムト秒は1000兆分の1秒)という超短時間で試料に照射でき、ナノ~マイクロメートルサイズのタンパク質の微小結晶を用いた放射線損傷のない構造の決定が可能です。

理研では、現在、SACLAのX線レーザーを用いた「連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)」に挑戦しています。これは、多数の微結晶を含む液体などを噴射しながらX線レーザーをフェムト秒の露光で連続的に照射し、向きが異なる多数の微小結晶から回折データを連続的に収集する方法です。これが実現すれば、例えば、フェムト秒からピコ秒(1ピコ秒は1兆分の1秒)という非常に短い時間の中で起きる、酵素反応による一連の構造変化の過程なども観察可能になります。

しかし、タンパク質結晶を連続的にX線レーザーの照射ポイントに供給するためには、液状試料を高速で噴射しなければならず、大量の試料が必要なことや、試料の組成によって塩結晶が析出するため安定供給ができない、などの問題がありました。これを解決するため、理研と京都大学、大阪大学などの共同研究グループは、微小結晶と高粘度物質を混ぜ合わせることで、結晶を安定してX線レーザーの照射ポイントに供給する手法について検討しました。

混ぜ合わせる高粘度物質の条件としては、①タンパク質と混合しても結晶に損傷を与えない②高濃度の塩や高粘度の試薬を含む微小結晶溶液と混合しても噴射器から安定に試料を流せる③高粘度物質によるノイズの発生が少なく、微結晶が均一に分散して噴射器のノズルの目詰まりを起こさない、などが求められました。この条件を満たす高粘度物質として挙がったのが「グリース」でした。グリースを混ぜることでゆっくりと試料を押し出し、少量の試料でさまざまなタンパク質の解析実験が行える手法「グリースマトリックス法」を開発しました。この手法を使って、リゾチーム、グルコースイソメラーゼ、ソーマチン、脂肪酸結合性タンパク質の4種類の水溶性タンパク質の結晶から、結晶構造の評価に十分な回折分解能以上の解析データの収集に成功し、結晶構造を決定することができました。この手法はタンパク質の結晶だけでなく、有機、無機物質を問わず幅広い分野で応用が可能です。

理化学研究所
放射光科学総合研究センター 利用システム開発研究部門 生物試料基盤グループ
研究員 菅原 道泰 (すがはら みちひろ)