広報活動

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2017年2月7日

理化学研究所

光受容タンパク質が応答する瞬間の動きを分子レベルで解明

-100兆分の1秒の光パルスでタンパク質の核の動きを直接観測-

PYPに対するフェムト秒時間分解インパルシブ・ラマン分光のデータの図

図 PYPに対するフェムト秒時間分解インパルシブ・ラマン分光のデータ

生物は外界からの光などの刺激をさまざまなセンサーで検知し、それを生命活動の維持に役立てています。例えば、ヒトの視覚や植物の屈光性などもこうした検知に基づく生命活動です。センサーは、20種類のアミノ酸の鎖からなる巨大分子(タンパク質)で構成されています。外部からの刺激に応答してタンパク質の構造が変化し、特定の構造をとることで初めてその機能が発揮されます。その検知の仕組み、特に外的刺激に応答する瞬間の“最初の動き”を分子レベルで捉えるためには、タンパク質の詳細な構造を区別し、かつ1兆分の1秒(10-12秒)以内で起こる変化を追跡できる観測が必要ですが、これまで実験的に困難でした。

今回、理研を中心とする共同研究チームは、紅色光合成細菌の忌避走行性を担う青色光センサーである光受容タンパク質「イエロープロテイン(PYP)」に着目しました。紅色光合成細菌は光合成により二酸化炭素を同化し生育する細菌で、忌避走行性とはこの細菌に有害な光が当たった際に、細菌が光の方向とは逆方向に自発的に動く機能のことです。

共同研究チームは「フェムト秒時間分解インパルシブ・ラマン分光法」(フェムト秒は1,000兆分の1秒、10-15秒)と呼ばれる独自に開発した最先端分光計測法を用いて、青色光照射直後の瞬間のPYPの分子構造とその後の変化を調べました。具体的には、青色光を照射して変化を開始させた後に、100兆分の1秒(10-14秒)の時間幅の光パルスでPYP分子を瞬間的に揺さぶり、その揺れる様子から分子の形の変化の一部始終を“ストロボ写真”を撮るように観測しました。その結果、青色光の照射からわずか10兆分の1秒(10-13秒)で、光を吸収する部位の近くにある特定の水素結合が弱まり、それが歪んだ形状の分子構造を生じさせタンパク質の機能発現につながることを見いだしました(図参照)。これは、タンパク質が機能し始める精巧な仕組みをリアルタイムで追跡した画期的な成果といえます。

今後、この観測法を利用することにより、さまざまな光応答性タンパク質が機能する詳細な仕組みが明らかになるだけでなく、より優れた機能を持つ新しいタンパク質の設計・創製につながると期待できます。

理化学研究所
光量子工学研究領域 エクストリームフォトニクス研究グループ 超高速分子計測研究チーム
研究員 倉持 光 (くらもち ひかる)

主任研究員研究室 田原分子分光研究室
専任研究員 竹内 佐年 (たけうち さとし)
主任研究員 田原 太平 (たはら たへい)