『蛋白質の折り畳み』を
キーワードにした生命科学研究

「生命」と「蛋白質の折り畳み」

蛋白質は、生命活動を担う万能の機能性分子です。蛋白質は、筋肉収縮や酵素反応などの生命特有の現象を生みだす鍵となる働きを持ちます。蛋白質が機能を発揮するためには、特定の構造に折り畳むことが必要です。従って、蛋白質がある形に折り畳むという現象は、生命を支える重要性を持つと言えます。

「蛋白質の折り畳み問題」

蛋白質は、２０種類のアミノ酸が数珠状に並んだ高分子です。自然界に存在する蛋白質は、進化の過程で選ばれたアミノ酸配列を持っています。この配列には、特定の構造に”ほぼ間違いなく”、”短時間内　に”折り畳むという能力が備わっています。蛋白質がなぜこれらの特性を持つのかを問うのが「蛋白　質の折り畳み問題」です。この問題は大変難解であることで有名です。しかし、この問題をもし解くことができれば、人工蛋白質（アミノ酸配列）をデザインする、あるいは、アミノ酸配列から蛋白質構造を予測する、などの応用が広がると予想されます。

「私達の研究」

私達は、実験家の立場から「蛋白質の折り畳み問題」に挑戦しています。特に自然の蛋白質の折り畳み運動をできるだけ詳しく捉え、運動の特徴を理解することを目指しています。そのために、私達はさまざまな実験装置の開発を行っています。例えば、蛋白質の運動を一分子レベルで検出する新しい装置を開発し、蛋白質の折り畳み運動の観察に応用しています。また、時分割X線小角散乱法の開発にも寄与してきました。このように、オリジナルな実験手法で蛋白質の知られざる特性を解明することで、生命現象のさまざまな側面を明らかにすることが私達の目標です。

タンパク質の一分子観測

なぜ一分子観測？

「蛋白質が折り畳む様子を観察するにはどうすればいいでしょうか？」一般的には、分光学的な手法（円2色性や蛍光）で蛋白質の構造変化を検出することです。溶液中の蛋白質からの平均強度の変化を観測します。この手法は、蛋白質の折り畳みの平均的な描像を捉えるには非常に強力な手法です。　しかし、私達が本当に観測したいことは、蛋白質一分子の紐（主鎖）が構造形成する様子です。そのために、従来のアンサンブル手法に加えて、一分子レベルで蛋白質の折り畳みを観測することが必要になります。

蛋白質を基板から解き放て！

従来の一分子観測法では、まず、良く輝く蛍光色素を蛋白質の末端に付加します。次に、蛍光顕微鏡で長時間観測するためには、基盤に蛋白質を固定する必要があります。ところが、蛋白質を固定することにより、蛋白質が基板と相互作用してしまい、蛋白質自身の運動が基板との相互作用により隠されてしまいます。このように、蛋白質を基板に固定せずに、一分子観測ができる新しい方法が必要になります。

一分子観測装置

希薄の蛋白質を細いキャピラリーに流し、蛋白質一分子から出る蛍光を検出しています。低倍率で中程度の集光率の光学系を用いるのがみそです。蛋白質の末端に付加した蛍光色素からでる蛍光強度は、蛋白質の構造に対応して変化するために、蛍光強度の変化が蛋白質の構造変化に対応しています。

一分子レベルで見た蛋白質の折り畳み　

現在までに、変性したシトクロムｃのミリ秒の遅い構造探索運動が存在することを明らかにしました。現在、一分子長時間観測法を開発し、シトクロムｃの変性状態と中間体との間の構造転移が観測しました。また、高時間分解能の一分子観測法を開発し、サブミリ秒の構造探索運動の追跡が可能です。