MENU

研究概要

研究の興味

~タンパク質の不思議への挑戦~

タンパク質は生命活動の現場で働く分子です。細胞の中で、それぞれのタンパク質は特有の機能を担い、実に巧妙(高効率、高選択的)に働いています。このしくみを知りたいというのが私たちの興味です。

タンパク質の構造変化と機能発現

生命現象はダイナミックです。そのダイナミズムの源泉は、生体分子のダイナミクスにあります。特に、タンパク質は生命現象のさまざまな化学反応に関わっている分子であり、そのダイナミズムを支える中心といえるでしょう。私たちは、タンパク質が機能する際のタンパク質の動き、つまり分子構造の変化をできるだけ詳しく観測することで、機能するしくみを明らかにしようとしています。これは、機械の歯車やレバーの動きを観察して、機械の働くしくみを調べることに似ています。タンパク質という分子マシンに起きる変化の各ステップをつぶさに観測していけば、タンパク質の機能を生み出すしくみを理解でき、さらには生命現象に対するわれわれの理解を深めるにちがいありません。

分子の科学としての面白さ

構造変化と機能との関係は、分子の科学としても面白い問題です。タンパク質が機能する際には、分子内のある場所に起きた構造変化が、ドミノ倒しのように、何十オングストロームも離れた別の場所に構造変化として伝わるということがよくみられます。タンパク質の複雑な分子構造を目の前にすると、なぜそのようなことが可能なのか不思議に思えます。ドミノ倒しのイベントでしばしばあるような、途中で動きが止まってしまったり、予定と違う方向に倒れてしまったりということはタンパク質には起きません。一見複雑そうに見えるタンパク質の構造の中には、構造変化を確実に伝える原理があるのです。

化学の進展によって、化学者はある機能を持った分子を設計し、それを実際に合成することができるようになりました。しかし、複数の機能性分子を組み合わせ、互いに連動するような分子システムをつくることはいまだに非常に困難です。それは技術的に合成することがむずかしいということでなく、連動させる原理がわからないためです。原理がわからなければ設計のしようがありませんから。

タンパク質の機能するしくみが理解できれば、それは連動性をもった分子システムを設計する大きなヒントを与えてくれるはずです。物理化学はこれまで比較的小さな分子を対象に進んできました。しかし、タンパク質にみられる連動性は、小さな分子の研究だけではわからない分子の新しい特質を教えてくれるでしょう。このように、タンパク質の構造化学は機能発現機構の理解と直結しており、タンパク質科学としても物理化学としても興味深い問題なのです。

私たちが目指すこと

生物物理化学研究室では、タンパク質の構造変化が生み出す機能発現機構の解明を目指し、時間分解分光法を用いて、タンパク質のダイナミクスについて研究を行っています。主に、共鳴ラマン分光法を使って、タンパク質のさまざまな部位の構造を調べます。さらに、スペクトルをピコ秒の時間刻みで測定(時間分解測定)することによって、タンパク質の動きを追跡することができます。わたしたちは、これらの手法を用いて、ヘモグロビンおよびガスセンサータンパク質、光センサータンパク質などの、ピコ秒からミリ秒にわたる多彩なダイナミクスを調べています。また、時間分解分光法の特徴をタンパク質研究にフルに活用すべく、新しい分光手法の開拓、分光装置の開発をあわせて行っています。

研究テーマ

アロステリックタンパク質の構造化学

ヘモグロビンに代表されるアロスリックタンパク質は、その高次構造を巧みに変化させ機能しています。したがって、「タンパク質はどのように構造変化するのか」、また「なぜそのように構造変化するのか」を明らかにすることは、「なぜタンパク質は高効率に機能するのか」という問いに答える最もストレートなアプローチです。アロスリックタンパク質では、局所的な構造変化が機能発現に重要な高次構造変化を誘起します。この構造変化の伝播を直接観測することができれば、タンパク質の働くしくみについて理解が大きく深まるに違いありません。このような興味から、ヘモグロビン、ガスセンサータンパク質、光センサータンパク質などについて、タンパク質の構造変化と機能発現機構との関係を研究しています。

生細胞の分光イメージング

細胞内の環境は、非常に多くの量と種類のタンパク質、核酸、脂質で密な状態にあり、試験管内に単離精製された環境とは大きく異なっています。したがって、タンパク質の理解のためには、彼らのホームグラウンドである細胞内で、その振る舞いを観測する必要があり、そのためには生細胞内にあるタンパク質と試験管内のタンパク質とを共通の方法で構造解析できる手法の開発が求められています。また、生細胞中に含まれるタンパク質やその関連分子の空間分布を感度よく観測する手法も必要です。私たちは、ラマン分光法と蛍光分光法による生細胞のイメージング技術を開発しています。

時間分解分光法の開拓

時間分解分光法は、時々刻々変化する分子について、さまざまな種類の情報をわたしたちに与えてくれます。振動スペクトルからは化学結合レベルでの詳細な構造情報を、吸収、蛍光スペクトルからは電子構造に関する情報を得ることができます。このような時間分解分光法の特徴を、化学研究にフルに活用するには、新しい分光装置を開発し、分光法の可能性を開拓していく努力が必要です。わたしたちはこのような問題意識から、新しい分光装置の開発を行っています。そして、そのように開発した装置を使うことによって、

  • 分光法の特色をシャープに生かした面白い研究
  • 「ここでしかできない」独創的な研究

を展開していきたいと考えています。