広報活動

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2016年3月25日

理化学研究所
東京大学
高輝度光科学研究センター
学習院大学

SACLAでの構造解析に必要な結晶の量を数百分の1に

-パルス液滴法によるタンパク質微小結晶の構造解析に成功-

パルス液滴インジェクターを組み込んだSFXの実験装置および使用したリゾチーム結晶の図

パルス液滴インジェクターを組み込んだSFXの実験装置および使用したリゾチーム結晶

創薬ターゲットとなるタンパク質の構造は、新薬の探索や薬の最適化にとって重要な情報です。そのため、タンパク質の結晶構造を3次元で高精度に決定することが求められています。X線構造解析は結晶構造の決定における重要なツールの1つです。結晶にX線を照射したときに得られる「回折パターン」を解析することで構造が決定できます。大型放射光施設「SPring-8」では、強力なX線を活かして、これまで多くのタンパク質の構造を決定してきました。

SPring-8に隣接するX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」は、SPring-8に比べて10億倍も明るいX線レーザーを、0.1ナノメートル(100億分の1メートル)以下という世界で最も短い波長で照射することが可能です。X線レーザー用いると、マイクロメートル(1,000分の1mm)サイズの微小なタンパク質結晶であっても構造を決定することができます。

XFEL施設での結晶構造解析では「連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)法」と呼ばれる手法がよく用いられます。SFX法では、X線レーザーの照射領域へ、インジェクターと呼ばれる装置を使って多数のタンパク質微小結晶を含む液体を導入します。その液体にX線レーザーを照射すると、液体に含まれる微小結晶からの回折パターンを連続的に収集することができます。しかし、構造決定に必要な量の回折パターンを得るには10~100mgという大量の微小結晶が必要になるという課題がありました。

今回、共同研究グループは、X線レーザーが照射領域に到達するタイミングに合わせて、微小結晶を含んだ微小液滴(直径0.1mm以下)を送り込む「パルス液滴法」を開発しました。正確なタイミング信号と高精度マニピュレーターによって液滴ノズルを制御する手法の確立と、ノズルから出た微小液滴の挙動を高倍率かつ高速でモニターできる光学システムの構築により実現しました。共同研究グループは、パルス液滴法とSFX法とを組み合わせることで、0.3mgのタンパク質(リゾチーム、5マイクロメートルの微小結晶)の構造決定に成功しました。これで、構造決定に必要な結晶の質量を“従来の数百分の1に抑える”ことができたわけです。

今後、創薬ターゲットとなる「膜タンパク質」を含め、これまで結晶の大量作製の難しさからSFX法では構造決定ができなかったタンパク質の構造が、SACLAによって決定されることが期待できます。

理化学研究所
放射光科学総合研究センター XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ
客員研究員 真船 文隆 (まふね ふみたか)(東京大学大学院総合文化研究科 教授)
グループディレクター 矢橋 牧名 (やばし まきな)

放射光科学総合研究センター 利用技術開拓研究部門 SACLA利用技術開拓グループ
グループディレクター 岩田 想 (いわた そう)