結合した状態を可視化し、これまでの理論的予想が正しいことを示す証拠を初めて得るなど、反応機構の詳細が明らかになりました。地球の窒素循環において、土壌や水域中の窒素化合物は微生物の働きによって窒素分子へと段階的に変換され、大気中へ放出されます。行うCuNIRは、脱窒過程の鍵酵素と呼ばれています。この酵素がどのようにしてその反応を行っているのかを理解したいと、世界中の研究者が挑戦してきました。整合するような原子・電子レベルでの正確な構造を実験的に提示することは出来ていませんでした。これは、従来主に用いられてきたX線結晶構造解析という手法では、CuNIRを構成する原子の約半分を占め、反応に直接関わる水素原子を十分に観測できないことが原因でした。いう手法に着目しました。これを行うためには極めて高品質かつ従来法の1万倍という大きな結晶試料を作成することが必要でしたが、その困難を乗り越え、水素原子も含んだCuNIRの全原子構造を高解像度で決定することに成功しました。一個が取り除かれた水酸化物イオンが結合していることを発見しました。タンパク質内に存在していることも明らかにしました。したことは量子力学を用いた理論研究から予想されていましたが、本研究によって世界で初めて実験的に証明されたことになります。低減による大気環境の改善や、肥料として環境中に過剰流入した窒素化合物の低減による土壌・水質汚染の改善が期待できます。いう領域が切り拓かれることが期待できます。-4062※上記の[at]は@に置き換えてください。生命活動を営むためには、代謝、すなわち膨大な種類の化学反応が必要です。生物も非生物も同じ原子から構成されていますが、生物の本質とは、こうした複数の化学反応をまとめて精妙に制御する能力を持つ点にあると言えます。その主役が酵素と呼ばれるタンパク質です。酵素は極めて小さくかつ精密な分子機械で、これがどのように化学反応を精妙に制御しているのかを理解するためには、その分子の立体構造を原子・電子レベルで正確に決定し、その構造に基づいて、どの部分がどのように動くのか、他の分子にどの部分が作用するのか、どこを電子が流れていくのか、といったことを実験的に計測したり、量子化学による理論計算で予測したりすることが必要です。酵素は私達人間の体内のあらゆる代謝に関わっているのはもちろん、様々な生物の活動を通じて、地球全体の環境維持の基盤をも担っています。植物による光合成が地球規模での酸素と炭素の循環を生み出しているように、生物にとって必須の元素である窒素の循環でも、実は酵素が主要な役割を果たしています。20世紀以降、人類の活動によって環境中へ過剰流入した窒素化合物が、自然の持つ窒素循環の均衡を脅かし、土壌や水質の汚染を引き起こしているという問題があります。従って、この脱窒過程に関わる化学反応について深く理解することは、大気・水質環境や農業環境の改善につながると期待できます。変換する亜硝酸還元酵素は、脱窒における鍵酵素と呼ばれています。前駆体であり、本反応の制御が地球温暖化に歯止めをかける一つの手段として、地球環境にとって極めて重要と目されているためです。ついて、過去30年以上にわたり、様々な研究グループが反応機構解明に取り組んできました。本酵素の立体構造を知るために、X線結晶構造解析が精力的に行われてきました。これまでの結晶構造解析に基づいて提案されていた反応機構と、量子力学を用いた理論計算から予想される反応機構との間には大きな違いがあり、議論が続いていました。この原因は、「水素原子」の観測がX線結晶構造解析では原理的に困難である点にありました。タンパク質を構成する原子の約半数が水素原子であり、タンパク質を取り巻く水分子にも水素原子が含まれます。CuNIRによる化学反応は、亜硝酸イオンへ水素イオンが渡される過程を含むため、水素原子を正確に観測することなしには、反応機構の詳細に迫ることができないと考えられていました。この手法は、計測試料となるタンパク質の結晶の調製に非常に高度な技術を必要とします。存在する多くの水素原子のシグナルがはっきりしていないという問題がありました。有することに着目し、この性質により上記の問題点を解決できると考えました。ためには通常X線結晶構造解析で用いる結晶の約1万倍の大きさの結晶を作る必要があります。移行することに成功しました。iBIXはパルス中性子の特徴を活かした精度良い回折データ収集が可能な装置で、データの完全性が99.7%という良質なデータの収集に成功しました。(水素原子位置は白い玉で表示)。右は部分構造を抜き出したもの。実験には重水を用いているため、水分子として重水分子を観察しており、アミノ酸中の水素原子も一部重水素原子に置き換わっている。得られた構造を観察することにより、活性中心周囲に存在するアミノ酸や水分子上の水素原子の位置をすべて特定することに世界で初めて成功しました。この全原子構造から、亜硝酸イオンへの水素イオンの運搬で中心的役割を果たす2つのアミノ酸についての情報が得られました。ことが明らかになりました。これらはこれまでに報告された実験結果や量子化学計算の結果とよく一致していました。活性中心である銅イオンの上に存在する水分子のひとつについて、水分子であれば2つ存在するはずの水素原子が1つしか観察できないことがわかりました。水分子と水酸化物イオンはわずか水素原子ひとつ分の違いしかなく、X線を用いて区別することは極めて困難です。今回の研究は、良質な大型結晶作製という生化学実験と中性子を用いた解析という物理学実験をうまく組み合わせた構造解析技術により、初めて成し得た成果と言えます。今回、研究グループは酸性条件下で作製した結晶を使用しました。H2Oという反応によって、水素イオンを得て容易に水分子となるはずですので、本結果は、CuNIRが、酸性環境下でさえ水酸化物イオンが安定的に存在できるという、通常の水溶液中では起こりえない環境をその活性中心で可能にしていることを示しています。結合した水酸化物イオン白色および濃い水色はそれぞれ水素、重水素原子を示す。左と右は異なる方向から見た図。緑色は水酸化物イオンを除いて計算したもの。形が明確に異なることが分かる。