問題解決2021年度「ひらめき☆ときめきサイエンス」を開催しました2021年度「ひらめき☆ときめきサイエンス」を開催しました目次コンピュータ・シミュレーションと分子模型を活用することで、タンパク質が活躍するミクロな世界の楽しさ・面白さ・不思議を紹介する高校生向けの講座(ひらめき☆ときめきサイエンス)を2021年7月31日(土)に千葉工業大学で開催しました。皆さんが、直に見る、聞く、触れることで、科学のおもしろさを感じてもらう事業です。キャンパス内にあるコンピュータ演習室で実施。受講生には、さまざまな分子模型を配布しました。そのほかに、今回の講義の内容とはあんまり関係はないけれど、カーボンナノチューブやフラーレンなど、研究室に置いてあった様々な分子模型も展示。開講式では、はじめに、実施者である山本が研究者になるまでの体験談などをお話しながら、簡単に自己紹介。(科研費)**についても説明しました。開講式の最後に、受講生の緊張をほぐして楽しく講義・実習に参加していただけるようにアイスブレイク。フリップを使った受講生同士の自己紹介も盛り上がって、リラックスした雰囲気に。講義1:かたちで決まるタンパク質のはたらき高校生物の教科書などで見るタンパク質は、とても複雑なかたちをしています。その正体は、多数のアミノ酸が連なった長い1本の紐。この長い紐が、絡まったりしないで、正しいかたちを素早く作ることができるメカニズムについて、タンパク質の立体構造を組み立てることができる分子模型(←午後の実習で組み立てます)を使って説明しました。タンパク質を構成するアミノ酸は、それぞれ、化学的な性質が異なっています。講義では、20種類の中からランダムに選んだアミノ酸の分子模型を受講生に配布。このアミノ酸は何かな?どんな性質を持っているんだろう?タンパク質は私たちの体の中で、アミノ酸配列にしたがって多様なカタチを形成することで、生命活動を維持するための様々な機能を発揮します。高校生物の教科書にも載っているミオシン(筋収縮を起こすタンパク質)などについて、カタチと機能の関係を説明しました。講義の最後は、ティーティング・アシスタントの大学生たちにファシリテートしてもらいながら、「こんなことを理解したと思うんだ」と声に出してみて、考えたこと・気付いたことを受講者同士で共有する時間。新型コロナウイルスが心配な状況のなか、感染防止のために受講生同士が交流する時間を短くせざるを得なかったのですが、限られた時間いっぱい、受講生たちは熱心に・活発に意見交換していました。配列のなかのアミノ酸が置き換わることで、タンパク質の性質が大きく変わってしまい、病気を発症してしまう場合があります。講義では、タンパク質の変異や構造異常が原因で引き起こされる様々な病気についてお話しました。ヘモグロビンの6番目のアミノ酸がたった1個置き換わることが原因となる鎌状赤血球貧血症について解説。専用ソフトウェアを使って、タンパク質構造データバンク(PDB)に登録されているヘモグロビンの立体構造も確認しました。新型コロナウイルスの出現により、私たちの生活は大きく変化しました。今回は、身近な大問題である新型コロナウイルスについても説明。感染・伝播性の増加や抗原性の変化が懸念される変異株の特徴についてお話しました。講義では、新型コロナウイルスの表面にあって、ヒト細胞に侵入するときに重要な役割を果たすスパイクタンパク質の分子模型(3Dプリンターで制作)を受講生に配布。模型を見てもらいながら、このウイルスの感染機構を解説しました。この分子模型は、スパイクタンパク質の200万倍スケールモデル。スパイクタンパク質三量体のうち、2つの分子にそれぞれ、ヒト細胞由来のACE2受容体と抗体分子が結合しています。変異株では、ウイルス表面のスパイクタンパク質とヒト細胞表面のACE2受容体との相互作用が大きく変化するのでは?と考えられます。今回、この相互作用を詳しく見るための分子模型も準備。この分子模型は、スパイクタンパク質の受容体結合部位(緑)とACE2受容体の一部(赤)。分子模型が届いた次の日、学生たちと一緒に、プラモデル用の塗料でアルファ株・ベータ株・デルタ株の変異部位に印をつけました。変異株では、スパイクタンパク質のアミノ酸が置き換わることによって、ACE2受容体や抗体との相互作用が変化すると考えられます。振り返りの時間には、分子模型を眺めながら、このような相互作用の変化が感染力の強さやワクチンの効果に対してどのような影響を与えるのか、受講生同士で話し合いました。午前中の講義が終了した後、10名程度のグループに分かれて、キャンパスツアー。坂本先生にお願いして、分子の構造を解析するためのNMR分光装置、DNAの塩基配列を解析するための次世代シーケンサーを見学させていただきました。昼食は、新型コロナウイルス感染防止のため、各自で持参してもらったものを大きな部屋で黙食。できれば、本学の学食もぜひ体験してもらいたかったのですが...実習1:コンピュータの中で薬を設計してみよう新しい薬を開発しようとするときには、**コンピュータの中で分子のふるまいを再現(シミュレーション)**することで薬の候補となる分子を効率的に探し出す「インシリコ創薬」が活用されています。用って、コンピュータの中で新しい薬を設計して競い合うインシリコ創薬コンテストを開催しました。創薬のターゲットは、インフルエンザウイルスの感染機構に重要な役割を果たしているノイラミニダーゼというタンパク質。多くの受講生が、リレンザやタミフルなど、インフルエンザ治療薬にはお世話になっているようです。ここでも分子模型が大活躍。製)し、タンパク質の立体構造を触って確かめながら、タンパク質と薬のかたちの相補関係を直感的に理解してもらえることができるように工夫しました。受講生たちは、結合部位付近のアミノ酸の化学的性質の違いなど、午前中に学んだことも踏まえながら、標的タンパク質(ノイラミニダーゼ)とより強く相互作用する分子を設計。以下」などのルールもあって、受講生たちは試行錯誤しながら、一生懸命に取り組んでいました。Portalを使って、受講生が自ら設計した分子と標的タンパク質であるノイラミニダーゼの相互作用の大きさを評価。この講座が終わってからも、このソフトを使って、高校生物などで学ぶ様々なタンパク質を受講生自身で調べることもできます。実習2:タンパク質のかたちを作ってみよう午前中の講義に説明したように、タンパク質の正体は、多数のアミノ酸が連なった長〜い1本の紐。受講生たちは、タンパク質の二次構造ごとに色分けされた一本のヒモを手に取り、ペプチド鎖からタンパク質の複雑な立体構造を組み立てることを体験。赤色のピースがα-ヘリックス、青色のピースがβ-シートを表しています。分子模型を組み立てることができました!タンパク質は、1本のペプチド鎖のなかでアミノ酸同士が適切に相互作用することで、明確に定義された立体構造を形成します。分子模型を組み立てる体験を通して、タンパク質のかたちが成り立つ仕組みの巧妙さを実感していただけたのでは?受講者が組み立てた分子模型は、持ち帰ってもらうことができます。高校の授業でタンパク質のことを学ぶときには、この分子模型を先生や友達に自慢することができるかも。修了式では、受講生ひとりひとりに**修了証(未来博士号)**を手渡しました。最後に、自分で組み立てた分子模型を手にして、みんなで記念撮影(写真は掲載していません)。おつかれさまでした!タンパク質のかたちが巧みに制御されて多彩な機能を発揮するとき、自然の妙美の極みである生命現象が生まれます。このプログラムが、私たち研究者が取り憑かれているタンパク質の魅力について、興味・関心をもっていただくきっかけになっていたら嬉しいです。yamlab.net。