私が思うタンパク質構造解析学

この分野はどこに区分される？

研究の分野は様々だ。
vivo(細胞、動物) やvitro (試験管)で取り扱うとか、遺伝、生物系に化学など、挙げていくと区分によって違いもあって、きりがない。
自分の知識がぼんやりとしていたので、少し調べると、なんと文部科学省が一覧を製作していた。

文系に理系と幅広く、助成金などのお金申請にも役に立ちそうな内容となっている。
こちらを拝借すると、理系が含まれている分野は、以下の通り。

社会科学
数物系科学
化学
工学系科学
生物系科学
農学・環境学
医歯薬学

これを中・小区分にしていくと、数えるのが面倒なぐらい細分化されている。
そして私の今回話したい構造解析学は、"生物系科学"の分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野に区分されてる、ちゃんとした学問のひとつなのだ。

研究といえば、大概の人が、白衣を着て、薬品やビーカー、装置を駆使して、なんか訳の分からないものを作ったり、研究したりしてるという曖昧さだと聞いた。(研究をしてない母談より。)
しかもタンパク質構造解析なんて…タンパク質の構造を解析するって何するの？必要あるのか？と思われてるかもしれない。

ここに記すのは、あくまで私という一個人が思う構造解析学はこんなのだという、論文や専門書までは到底いかない、エッセイに近い文章となっている。


タンパク質構造解析学の３つのポイント

構造を解析すると一言で言っても、サンプルだけでも種類があり、無機物や有機物、化合物、そしてタンパク質など、多岐に渡っている。
ここではタンパク質に焦点を当てている。
生物や医学系だと、フューチャリングされているのがタンパク質だからというのが理由なのだが、これの種類だけも数えきれないぐらい無数に存在する。
そのタンパク質の構造を解析する学問、タンパク質構造解析学を簡単に３つの箇条書きで表すと下記になる。

• タンパク質のどこに機能が備わっているか探索する学問

• 特徴部位はより精密に分析

• X線、NMR、電顕、それぞれに適したサンプルで解析

以上。
専門用語が乱立しているので、ひとつずつ紐解いていこう。


タンパク質のどこに機能が備わっているか探索する学問


いきなりの説明もなんなので、ここで例え話をする。
例えば、目の前に何かが入っているブラックボックスがある。箱の上の部分のみ手だけがつっこめられ、穴のところから何かを触っただけで、何が入っているか当てるというテレビ番組のクイズやゲームによくあるものだ。
大抵、箱に入っている何かには特徴があって、その部分を手で触ると、◯◯と名称が出てきて、正解が導き出せる。
タンパク質構造解析学とはまさしくこのブラックボックス当てクイズみたいなもので、タンパク質がブラックボックスに入っている何か、手で触るのが装置による分析、特徴が機能、◯◯という名称がどのような種類のタンパク質なのかという仕組みになっている。
ただし、どのようなタンパク質なのかは知識、経験則となるPDB(protein data bank)である程度わかっているので、機能を調べるための学問であるという部分が、少し違っているのは注意していただきたい。
実際の実験で言えば、ハイドロゲナーゼhydrogenase は硫酸還元菌などに発現している、水素を可逆的に反応させる酵素と呼ばれるタンパク質で、ニッケルと鉄が含まれている。このタンパク質の形を調べるためには、結晶化作業にて個体にし、X線という電磁波を照射する。結果を解析すると、どういった形で、どこにニッケルと鉄が存在するか判明するという仕組みだ。
この仕組みを複雑に、そして詳細な部分に焦点を当てているのが、次のポイントとなる。


特徴部位はより精密に分析

研究で調べたい内容は様々だ。
何処と何処が結合しているのか、同じようなタンパク質が何個集合して安定した形を成しているか、化合物と結合したらどの部分が変化するかetc。
この調べたい内容が特徴部位であり、大学や職場の方針によるが、おおまかには研究テーマを学生だとひとつ、教員や正社員は複数かかえ、それによって調べたいものも違い、さらに実験を進めていく過程で変更することもある。
詳細に調べたいところのフォーカスを当てるために、サンプルを得るためにどのように培養をするのか、培養溶液から単一の目的サンプルを得るのか、そのサンプルを個体ないし液体として安定化させられるか、どの装置を使用するのか、電磁波の強度や時間などの設定はどうするのか、解析結果がどのようなアミノ酸になるのか、など、試行錯誤が必要となっていく。
この様々列挙した工程から、次のポイントに繋がるのが、どの装置を使用するか。これによって、サンプルの仕様や得方、培養方法まで変わってくる。


X線、NMR、電顕、それぞれに適したサンプルで解析

このタイトルに出てきているのが、構造解析に必要な主な装置３種と言える。
私目線だと3種の神器ぐらいの装置だ。
それぞれの装置は用途など違っていて、X線は構造解析学の基礎とされている。電磁波部はレントゲンなどにも使われており、タンパク質が順序よく整列された状態である結晶に長時間何回も当て、原子や分子から反射された光たちの集合体の結果をパソコン内のアプリで解析し、3次構造を出す。サンプルは中分子レベルが最適とされており、フレキシブルなものだと、起動性の問題より、解析が困難とされている。
続いてはNMRだ。こちらの正式名称は核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance)と言う。溶液や細胞内に存在してるタンパク質に磁場をかけると、サンプルの核スピンが整列し、その原子核部にラジオ波を当てると、シグナルが得られる。そして帰属などの解析をすると、X線と同様、3次構造を出せれるのだ。ペプチドから中分子ぐらいの分子量が最適とされており、フレキシブルなサンプルも解析可となっている。
そして最後は、略して電顕と呼ばれる低温電子顕微鏡(Cryo-electron microscopy)だ。
こちらはタンパク質を液体窒素などで低温で固定化させ、電気を持った電子線を当て、透過した電子を観察するという透過型電子顕微鏡(TEM)をベースとした手法となっている。サンプルはX線でも難しい複合体や、解析方法が多種多様で電子顕微鏡というところから試験管内でない生体内の構造が得られる。


これが私の仕事

これまで紹介させてもらった内容が私の仕事に直結する。
と言っても、構造解析をお仕事にしたところは数に限りがあり、専門に携わっている研究室やバイオベンチャーとして確立している会社、分析のひとつとして外注などしている大手企業と方針もやり方も異なっている。
基本は装置の付近にコミュニティがあり、狭い世界なのだろう。

ALSとグリコシル化の知識蓄積のために、これから不定期に投稿する予定。ま、予定は未定だ。