広報活動

Print

2017年11月17日

理化学研究所
兵庫県立大学
高輝度光科学研究センター

SACLAで酵素反応の可視化を実現

-生体内で起こる化学反応を原子レベルで見る-

酵素は、生体内でさまざまな化学反応を行っています。そのメカニズムを知るには、酵素の構造とその変化を原子レベルで見ることが不可欠です。しかしこれまで、反応前や反応後など酵素が止まっているときの構造はX線結晶構造解析によって明らかになってきましたが、酵素が反応している最中の構造を見ることは困難でした。

今回、理研を中心とした共同研究グループは、光を照射すると酵素が作用する分子(基質)を放出する「ケージド化合物」と、X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」の高品質なX線を組み合わせることで、酵素が反応している最中の構造を原子レベルで見る技術を開発しました。まず、ケージド化合物を浸み込ませた酵素の結晶に光(パルスレーザー)を照射し、ケージド化合物から基質を放出させます。次に、放出された基質と酵素の反応中にSACLAのX線を照射してX線結晶構造解析を行います(図参照)。照射するパルスレーザーとSACLAのX線は時間的に同期しているため、反応開始から任意のタイミングで酵素の姿を捉えることができます。

今回は、この技術をカビの中で一酸化窒素ガス(NO)を亜酸化窒素ガス(N2O)に変換する一酸化窒素還元酵素に応用しました。この酵素は鉄原子を含んでおり、その鉄原子上で酵素反応が起こります。酵素とNOの反応開始から0.02秒後の状態を解析し、酵素がNOを取り込む瞬間の構造を捉えることに成功しました。N2Oはフロンに次ぐオゾン層破壊ガスで、二酸化炭素ガス(CO2)の300倍の温室効果があるため、一酸化窒素還元酵素の反応機構の解明が求められています。

本技術を用いることで今後、さまざまな酵素の働く仕組みが解明され生命現象の理解が進むだけでなく、新薬の設計や開発などへの応用も期待できます。

酵素の化学反応を見るための実験スキームの図

図 酵素の化学反応を見るための実験スキーム

理化学研究所
放射光科学総合研究センター 城生体金属科学研究室
専任研究員(研究当時) 當舎 武彦 (とうしゃ たけひこ)
(現 放射光科学総合研究センター ビームライン基盤研究部 専任研究員)
専任研究員(研究当時) 杉本 宏 (すぎもと ひろし)
(現 放射光科学総合研究センター ビームライン基盤研究部 専任研究員)
専任研究員(研究当時) 久保 稔 (くぼ みのる)
(現 放射光科学総合研究センター ビームライン研究開発グループ 専任研究員)
主任研究員(研究当時) 城 宜嗣 (しろ よしつぐ)
(現 兵庫県立大学大学院生命理学研究科 教授)