研究成果のポイント・レーザーによって結晶を局所的に壊すことで結晶を大きくするという、従来法とは根本的に異なる革新的なタンパク質結晶育成法を開発した。・本研究成果は、タンパク質の大型結晶作製とそれを利用したタンパク質分子構造の解明に貢献し、様々な生命現象のメカニズム解明に繋がることが期待できる。らの共同研究グループは、レーザーによる破壊プロセスを用いた、大型タンパク質結晶育成の革新的技術を開発しました。タンパク質は様々な生命現象を支える重要な物質であり、タンパク質の分子構造はその機能を調べる上で必要不可欠な情報です。一般的に、タンパク質の分子構造を知るためには、まず大きい単結晶(数十ミクロン以上)を作製し、X線や中性子線により解析します。タンパク質は結晶成長の駆動力が弱く、分子構造の解析に必要な大きさの結晶を得ることが難しいケースが多々あります。いう光誘起現象により、タンパク質の結晶面の一部を破壊すると、その結晶面の成長が数倍以上加速するという新奇な現象を発見しました。興味深いことに、レーザー破壊箇所を含む、成長した結晶のX線回折パターンを測定したところ、結晶品質の劣化は認められませんでした。この新奇な結晶成長現象のメカニズムを光学顕微法やX線トポグラフ法により調べた結果、レーザーによって破壊された箇所から、結晶成長の駆動力が大きい渦巻き状の成長様式(成長モード)が発生することを明らかにしました。このように能動的且つ時空間的にタンパク質結晶の成長モードを制御した例はこれまでになく、これらの結果は、本手法が大型タンパク質結晶作製におけるブレークスルーとなり得ることを示しています。本研究成果により、今後、開発した手法が種々のタンパク質の大型単結晶の作製に応用され、様々な生命現象のメカニズム解明に役立つことが期待されます。Photonics」誌のオンライン速報版で日本時間2016年10月25日に掲載されました。研究の背景タンパク質は様々な生命現象に関わる重要物質であり、その分子構造と機能は密接に結びついていることが知られています。おいて欠かすことができない情報です。一般に、目的のタンパク質の分子構造を知るためには、まず最低でも数十ミクロン以上の単結晶を作製し、X線や中性子線により解析します。タンパク質は結晶成長の駆動力が弱く、濃度や温度などの結晶周囲の環境因子を厳密に制御したとしても、分子構造の解析に必要な大きさの結晶を得ることが難しいケースが多々あります。大きな結晶ほど、より詳細な分子構造を決定することができるため、タンパク質結晶を大型化するための技術が求められていました。そこで、本研究グループは、従来法のような結晶周囲の環境因子の調節ではなく、レーザーにより結晶の局所構造を直接操作することで結晶成長を制御できないかと考え、その検証に挑みました。研究手法まず、過飽和溶液中のタンパク質結晶に対して、フェムト秒レーザーをレンズで集光照射し、レーザーアブレーションと呼ばれる現象により結晶表面の局所領域(数ミクロン)を破壊しました。その結果、レーザーで局所破壊された結晶面の成長速度が10倍以上促進されることがわかりました(図1)。興味深いことに、レーザー破壊箇所を含む、成長した結晶のX線回折パターンを測定したところ、結晶品質の劣化は認められませんでした。いう、分子高さの段差を可視化できる光学顕微法を用いて結晶を観察しました。することがわかりました(図2)。2次元核成長は殆どのタンパク質で見られる一般的な成長様式ですが、2次元核発生というエネルギー障壁を超える必要があるため、過飽和度が低い溶液中ではその成長速度が極端に低下することが知られています。渦巻き成長は、そのようなエネルギー障壁がないため、低過飽和溶液中でも大きな成長速度を維持することができます。渦巻き成長は転位と呼ばれる欠陥から発生するため、結晶内に偶然転位が存在するか、力学的な歪をかけて強制的に転位を発生させねばならず、従来法ではその制御ができませんでした。実際、フェムト秒レーザーアブレーションで局所破壊した結晶をX線トポグラフ法で観察したところ、らせん転位と呼ばれる渦巻き成長の源となる歪構造が発生していることがわかりました。これらの結果は、レーザーアブレーションにより結晶に歪を与えることで、渦巻き成長を能動的且つ時空間制御して発生させることが可能であることを明確に示しています(図3)。本研究により開発した手法が、今後、種々のタンパク質の大型結晶を得るために活用され、様々な生命現象のメカニズム解明に役立つことが期待されます。2012)にも成功しています。今後、それぞれの技術を組み合わせることで、分子構造の解析に最適な結晶を、光技術により一貫して作製する革新的な手法論の創製にも繋がることが期待できます。結晶がレーザーを照射した面の方向に大きく成長しているのがわかる。よるタンパク質結晶表面の分子レベルでの成長ダイナミクスレーザー照射痕(矢印)から渦巻き丘が発生し、結晶表面全体を覆う様子がわかる。フェムト秒レーザーアブレーションレーザー光を物質に照射した場合、レーザー光照射強度がある大きさ(しきい値)以上になると、物質が爆発的に破壊される現象をレーザーアブレーションと呼ぶ。フェムト秒レーザーによるアブレーションでは、熱の影響を抑えて、物質を力学的に破壊できることが知られている。大幅に除去し観察像を鮮明にするレーザー共焦点顕微法と、透明な物質に明暗のコントラストを与える微分干渉顕微法を組み合わせたイメージング手法。分子レベルでの結晶成長の様子を、溶液中で非接触に計測することが可能である。原子や分子の2次元的な島状の層が広がりながら成長する結晶成長モード。この島状の層を二次元核と言う。多くの物質で一般的に見られる成長だが、二次元核の発生にはエネルギー障壁を超える必要があるため、成長駆動力が低い環境では成長が極端に遅くなり、最終的には過飽和条件にも関わらず成長が停止する。結晶内部に転位と呼ばれる欠陥が存在する時、この転位を中心に螺旋状の渦巻き構造(成長丘)が発生し、この成長丘に原子や分子を取り込みながら成長する結晶成長モード。一度成長丘が発生すると、転位が存在し続ける限り半永久的に原子や分子の取り込み箇所が供給されるため、原理的には平衡濃度に達するまで成長が継続可能である。