生体分子を構成する原子のイオンの散乱因子の決定

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クライオ電子顕微鏡、放射光での生体分子の構造、電荷の精密解析へ

2018/04/27 理化学研究所

理化学研究所(理研)放射光科学研究センターの生体機構研究グループの米倉功治グループディレクターらの共同研究チームは、クライオ電子顕微鏡[1]および大型放射光施設「SPring-8[2]」などの放射光を用いて、タンパク質やその複合体などの生体分子を構成する原子のイオンの「散乱因子[3]」を決定しました。

今後、イオンの散乱因子を用いて、タンパク質などの生体分子の立体構造、電荷分布の精密解析ができるようになれば、生体分子の作動メカニズムをより深く解明することにつながり、生命科学の発展、新たな治療法や薬の開発、工学などへの応用が期待されます。

生体分子の構造は、X線や電子線を試料に照射し、その散乱から得られる回折パターンや分子像から調べることができます。X線や電子線の散乱のされ方を散乱因子といい、元素によって決まっています。タンパク質を構成するアミノ酸やDNA、RNAなどの核酸は、水素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄の原子から構成されますが、このうち酸素を除いて、イオンの散乱因子は求められていませんでした。これらのイオンは自然界で安定に存在できませんが、分子中では複数の原子にわたり電荷が分布するため、部分電荷を持つ原子の散乱因子をイオンと中性の原子の散乱因子から見積もることが必要になります。さらに、イオンと中性の原子の間で電子線に対する散乱因子に大きな違いがあり、この特徴を利用して電荷の可視化に利用できるなど有用性は高いと考えられます。今回、共同研究チームは、生体分子を構成する原子のイオンの散乱因子を「相対論的量子化学計算[4]」から決定しました。最近のクライオ電子顕微鏡の発展に伴い、原子のイオンの散乱因子の重要性は増していくと予想されます。

本研究は、国際結晶学会のオンライン科学雑誌『IUCrJ』(4月27日号)に掲載されます。

※共同研究チーム

理化学研究所 放射光科学研究センター
利用技術開拓研究部門 生体機構研究グループ
グループディレクター 米倉 功治(よねくら こうじ)
特別研究員(研究当時) 松岡 礼(まつおか れい)
特別研究員(研究当時) 山下 良樹(やました よしき)
XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ イメージング開発チーム
研究員 眞木 さおり(まき さおり)

横浜市立大学大学院生命医科学研究科
教授 木寺 詔紀(きでら あきのり)
教授 池口 満徳(いけぐち みつのり)
特任助教 山根 努(やまね つとむ)

※研究支援

本研究は、科学技術振興機構(JST)先端計測分析技術・機器開発プログラム「電子顕微鏡の高精度制御及び生体高分子結晶構造解析ソフトウェアの開発(研究代表者:米倉功治)」、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金挑戦的萌芽研究「電子線結晶構造解析によるクーロンポテンシャルの可視化(研究代表者:米倉功治)」、同基盤研究B「イオン駆動力供給体の電子線とX線による作動機構の解明(研究代表者:米倉功治)」などの支援を受けて行われました。

背景

タンパク質の立体構造を決める手法として最も一般的なX線結晶構造解析[5]では、研究対象のタンパク質の結晶を作製することが必要です。得られた結晶にX線を照射すると、結晶内のタンパク質分子を構成する原子の周りの電子によってX線が散乱され、回折パターンが得られます。この回折パターンの強度情報から計算した「電子密度[6]マップ」に基づいて、立体構造を決定します。この手法では、数マイクロメートル~百マイクロメートル(μm、1μmは100万分の1メートル)サイズの良質な結晶が必要です。しかし、重要な生命機能を担う膜タンパク質[7]や巨大なタンパク質複合体の結晶作製は非常に難しく解析を困難にしています。

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