バイオロジーにおける3D活性サイト科学

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: ３Ｄ活性サイト科学
• 研究課題/領域番号: 26105005
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 関口 博史 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (00401563) ; 久保 泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 創薬プロファイリング研究センター, 副研究センター長 (10178030) ; 柴山 修哉 自治医科大学, 医学部, 教授 (20196439) ; 宮澤 淳夫 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 教授 (60247252) ; 一柳 光平 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特任准教授 (70435618)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• キーワード: 蛍光Ｘ線ホログラフィー / Ｘ線1分子追跡法 / 局部構造 / 1分子動態情報 / 新規計測手段

研究実績の概要

Ｈ２８の３年度目では、巨大生体分子の単結晶から蛍光X線ホログラフィーを世界で初めて成功し論文化した。PSIIの巨大結晶化にも成功し、蛍光X線ホログラフィーの実測も成功した。また、この計測技術が本当に生物学的に未知な課題（例えば金属の価数評価や分子の揺らぎ等）を解決することのできる唯一の方法論に成り得る可能性も出てきたので、この進展を緩めることなく進めている。この測定系を用いて、酸素貯蔵タンパク質であるミオグロビンなど、ヘモグロビン以外のタンパク質結晶の測定も精力的に行った。一般にタンパク質結晶では単位胞内に異なる配向の複数の分子が存在し、それぞれの活性サイトからの信号が重なって観測されるため、解析には困難を伴うことが多い。この問題を解決する一つの方法として、ヘモグロビンやミオグロビンなどが活性サイトに持つ、ヘム（鉄－ポルフィリン錯体）の分子対称性を利用する解析法を試み、原子像を得ることに成功した。もう１つのバイオ計測技術として、量子ビーム１分子計測法を進めているが、多くの未知なる「活性サイト」の機能発現モデルを提案することができた。技術的には特にDXTを白色光利用から単色利用に変更できたのは大きい進展であった。放射光は、基本白色であるが現状は完全に単色化して利用しているので、海外でDXTを測定しようと思っても、実質的には多くのビームラインは下流で単色化装置を挿入しており不可能であった。単色化DXTの実現のおかげで海外でも単色DXTが簡単に測定できることになり、現在、国際的共同研究を進めている。複数の海外放射光施設で、どの程度の高速DXT測定ができるかの確認実験を進めている。その結果を見て、よりユニバーサルな測定手段として方法論を確立させていきたい。また今後は、計算科学や電子顕微鏡技術との連携を進めて行く予定である。１分子計測技術は、今後、非常に重要な方法論になるだろう。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

予想よりも早く、巨大生体分子の単結晶から蛍光X線ホログラフィーを世界で初めて成功したことを論文化できた。我々は酸素輸送タンパク質であるヘモグロビンの巨大結晶を用いた一連の放射光実験により、生体試料単結晶の蛍光X線ホログラフィー測定に最適化した装置系の開発に成功した。世界初の生体試料の蛍光X線ホログラム観測と装置開発についての論文は、Editor’s pick に選出された。(発表論文）A. Sato-Tomita, N. Shibayama, N. Happo, K. Kimura, T. Okabe, T. Matsushita, S.-Y. Park, Y. C. Sasaki, K. Hayashi, “Development of an X-ray fluorescence holographic measurement system for protein crystals”, Rev. Sci. Inst. 87, 063707 (2016).

今後の研究の推進方策

以上のように３年度目は、巨大生体分子の単結晶から蛍光X線ホログラフィーを世界で初めて成功したことを論文化できた。この計測技術が本当に生物学的に未知な課題（例えば金属の価数評価や分子の揺らぎ等）を解決することのできる唯一の方法論に成り得る可能性も出てきたので、この進展を緩めることなく進めたい。
もう１つのバイオ計測技術として、量子ビーム１分子計測法を進めているが、多くの未知なる「活性サイト」の機能発現モデルを提案することができた。技術的には特にDXTを白色光利用から単色利用に変更できたのは大きい進展であった。放射光は、基本白色であるが現状は完全に単色化して利用しているので、海外でDXTを測定しようと思っても、実質的には多くのビームラインは下流で単色化装置を挿入しており不可能であった。単色化DXTの実現のおかげで海外でも単色DXTが簡単に測定できることになった。現在、複数の海外放射光施設において、どの程度の高速DXT測定ができるかの確認実験を進めている。その結果を見て、よりユニバーサルな測定手段として方法論を確立させていきたい。また今後は、計算科学や電子顕微鏡技術との連携を進めて行く予定である。１分子計測技術は、今後、非常に重要な方法論になるので、多くの生体高分子系で今後より汎用的な計測手段になるように普及させていきたい。

研究成果

• [雑誌論文] Development of an X-ray fluorescence holographic measurement system for protein crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Sato-Tomita, N. Shibayama, N. Happo, K. Kimura, T. Okabe, T. Matsushita, S.-Y. Park, Y. C. Sasaki, K. Hayashi
  • 雑誌名: Rev. Sci. Inst. 巻: 87 ページ: 063707
  • DOI: 10.1063/1.4953453
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] X-RAY FLUORESCENCE HOLOGRAPHY FOR PROTEINS: APPLICATION TO HEMOGLOBIN AND MYOGLOBIN (2017)
  • 著者名/発表者名: Ayana Sato-Tomita, Naohisa Happo, Sam-Yong Park, Koichi Hayashi, Yuji C. Sasaki and Naoya Shibayama
  • 学会等名: Annual Meeting of Biophysical Society
  • 発表場所: ニューオリンズ（米国）
  • 年月日: 2017-02-11 – 2017-02-15
  • 国際学会
• [図書] 機能構造科学入門 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大門寛・佐々木裕次
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善
• [産業財産権] 運動計測装置 (2016)
  • 発明者名: 佐々木裕次
  • 権利者名: 佐々木裕次
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2016-226495
  • 出願年月日: 2016-11-22