Determination of single hemoglobin dynamics with x-rays

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00324
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 佐々木 裕次 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30344401)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 関口 博史 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00401563) ; 柴山 修哉 自治医科大学, 医学部, 教授 (20196439)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: アロステリック効果 / 光励起 / X線１分子追跡法 / ヘモグロビン

Outline of Annual Research Achievements

四量体ヘモグロビン（Hb）のアロステリック現象は、タンパク質科学における基本原理であり、最大の未解明現象である。Hbには強いアロステリック効果があり、付随して起こる大規模高次構造変化（アロステリック転移）がその根幹メカニズムと考えられている。だが、その過程を直接観察した者は未だ誰もいない。2013年ノーベル化学賞受賞者のKarplusによって、Hbアロステリック転移の動態特性が2011年に計算された。私たちは７年前からＸ線1分子追跡法(Diffracted X-ray Tracking: DXT)を用いたHbアロステリック転移の１分子動態直接観察を部分的に成功してきた。DXTは、X線を用いた独自の時分割型１分子計測法であり、Hb分子内部動態1分子計測に適用可能な唯一無二の手法である。しかし、6年間のDXT測定結果から、Hb分子内部動態特性の複雑さは予想を遥かに超えていた。本研究では、この極めて複雑なアロステリック分子動態に対して説得力を持って決定的測定をするために、可視（CO photolysis）での光励起DXTを行っている。この結果を皮切りに、Hbアロステリック動態の全貌を明確化することを目的としている。
結果としてレーザー照射後に15-30度のχ方向の回転運動がしっかり確認できるようになったが、予想される分子動態が計測される確率があまりに低かった。今回の実験では、この運動が予想以上に高速ではないかという仮設の上にたって、運動速度を遅くするために、金ナノ結晶のサイズを1.5－2.0倍に大きくして、水溶液の抵抗（粘性）を向上させる方法を検討し、実験を試みた。結果、非常に大きな運動の検出確率が向上した。また、金ナノ結晶以外の標識プローブでの評価も進めることにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

光励起によるサンプルダメージがあり、それを回避する条件設定に時間がかかった。また、金ナノ結晶がこの励起光に応答していることも確認されたので、金ナノ結晶以外の標識ナノ結晶も探索・開発しなければならなかった。酸化亜鉛が比較的良いプローブになることが確認できたところである。

Strategy for Future Research Activity

サンプルダメージ問題も解決し、金ナノ結晶標識問題も解決した。あとは、統計処理に耐えうるデータ数を獲得するだけである。