「きぼう」利用サービス紹介①微小重力環境を利用した高品質なタンパク質結晶生成

タンパク質から見えてくる未来

宇宙で 解き明 かされる、生命のカギ
国 際 宇宙ステーション「きぼう」での高品質タンパク質 結晶生 成実 験Protein Crystal Growth in International Space Station

ココ!

国立研究開発法人

宇宙航空研究開発機構 有人宇宙技術部門
筑波宇宙センター〒305-8505 茨城県つくば市千現2丁目1-1タンパク質結晶生成宇宙実験ホームページ
http://iss.jaxa.jp/kiboexp/theme/first/protein/
宇宙実験ホームページ
http://iss.jaxa.jp/kiboexp/

国際宇宙ステーション「きぼう」で実験進行中！

生命のしくみを解明するカギ、タンパク質

3構造を解析するために必要な「結晶の生成」
タンパク質分子はとても小さいため、顕微鏡などで観察できません。
そのため、分子が一様に整列した「結晶」として取り出したタンパク質に、X線を照射して観察するという方法が用いられます。そうやってはじめて構造を解析することが可能になります。

私たち人間をはじめ全ての生き物の体は、タンパク質からできています。

結晶の生成は、構造解析に欠かせないステップなのです。

タンパク質を研究することは、生命のしくみを解明すること。

構造解析を「写真撮影」にたとえると？ ̶ ❶生命の謎を解くカギ、それがタンパク質なのです。

整列！

集合写真の撮影をイメージしてください。
一人ひとりがバラバラなそしていま、宇宙での実験がタンパク質研究に大きな進歩をもたらそうとしています。

方向を向いていたり、動き回っていたりすると、全員の顔をはっきりと撮影することができませんね。
タンパク質の構造解析も一緒です。つまり「結晶生成」とは、タンパク質に、カメラのほうを向き、整列したまま、じっとしていてもらう ことなのです。

1タンパク質によって開かれる、可能性の扉
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私たちの体をつくっている、タンパク質。
人間の体内だけで10万種類以上、自然界全体では実に約100億種類ものタンパク質が存在するとされています。
タンパク質はそれぞれが決まった働き（機能）をもち、生命活動を支えています。
たとえば、皮膚をつくる「コラーゲン」や、ヒトの体は10万種類以上ものタンパク質でできています

結晶の生成は、実はとても困難。一つのタンパク質の結晶生成に成功するまで数年かかるということも珍しくありません。
このことが大きな壁となって、多くの研究者を悩ませてきたのです。
結晶生成を難しくしている原因の一つが、「重力」です。

酸素を運ぶ「ヘモグロビン」などもタンパク質の一種なのです。

いろいろな分野で進むタンパク質の研究
タンパク質はさまざまな働きをもつため、幅広い分野で研究が行われています。

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重力の影響によって生じる歪みや乱れが、質の高い結晶の生成を妨げてしまいます。

構造解析を「写真撮影」にたとえると？ ̶ ❷新しい医薬品の開発

環境にやさしい廃棄物処理の実現「重力」が結晶生成のジャマをする？

バイオエネルギーの発明

風のせいで髪型が乱れたり砂ぼこりが目に入ったりして、全員の笑顔がなかなかそろわないという困った状態です。など「重力」という風が吹かない、砂ぼこりが舞わない場所で撮影するのが理想といえます。

謎を解くカギは、その構造にありタンパク質の機能について効果的な研究を行うためには、質の高い結晶、つまり構造を詳細に把握できる結晶が必要です。構造と機能はワンセットのため、たとえば病気の原因となるタンパク質が見つかった

また全てのタンパク質は、それぞれが決まったカタチ（構造）としても、構造がわからなければ、その働きを制御することはできません。

をもっています。
コラーゲンにはコラーゲンの、重力の影響を受けずに高品質な結晶を生成する。それはタンパク質研究を進歩させる一つの夢でした。

ヘモグロビンにはヘモグロビンの構造があります。
その固有の構造をとることで、タンパク質はそれぞれの5機能を発揮します。つまりタンパク質の構造を正確に観察すれば、その機能や仕組みまで知ることができるのです。
さらにそれが「タンパク質の機能を制御する」研究へと重力のない宇宙で、質の高い結晶を生成その夢を可能にしたのが 国際宇宙ステーションでの結晶生成実験 です。

つながっています。

これまでにもさまざまなタンパク質が宇宙へ運ばれ、結晶となって地球へ帰ってきています。
一つひとつのタンパク質の構造を解明すること。
それがタンパク質研究の要なのです。

宇宙の微少重力環境のもとで生成された、小さな小さなタンパク質の結晶たち。
タンパク質の構造は千差万別

それらが近い将来、大きな大きな研究成果をもたらしてくれるかもしれません。

さまざまなタンパク質を宇宙へ

国際宇宙ステーションと「きぼう」

JAXAでは2009年から2016年にかけて第１期・第２期実験シリーズとして計12回の実験を実施し、国際宇宙ステーションは、地上から約400km上空に得られた結晶からターゲットタンパク質とリード化合物との結合様式を初めて解明するなど、建設された巨大な有人実験施設です。

着実な成果を挙げてまいりました。

アメリカ、日本、カナダ、ロシアなど10数か国が2017年から新たに第３期実験シリーズを開始し、JAXAがこれまでに蓄積してきた技術と経験を活かして、参加してさまざまな実験や研究を行っています。

試料の性状確認、結晶化条件の検討・最適化、宇宙での実験、帰還後の結晶観察、X線回折データ取得まで、その中でJAXAが開発を担当した実験の一連のプロセスをサポートします。
1回の宇宙実験は次のような流れで行われます。

日本実験棟が「きぼう」です。

プロジェクトの流れ

国際宇宙ステーション
日本実験棟
「きぼう」

実験容器についてect
Proj tStar

宇宙実験では、主としてゲルチューブ法を用いて結晶生成を行います。

タンパク質の募集

実験を行うタンパク質を決定

全国の大学・研究機関・どのタンパク質を宇宙へ企業から、宇宙実験を運ぶのか、期待される成果行いたいタンパク質をなどを踏まえてJAXAが募集します。

選定を行います。

そのほか、浸透チューブ法（OT法）や透析法、バッチ法にも対応可能な容器も使用可能です。

結晶化容器「JCB-SGT ※」標準的に使用する結晶化容器です。
PET製シートでできた細長い筒状の袋で、それぞれ個別に結晶化条件を設定することができます。
それぞれの袋にゲルチューブを装着したキャピラリーを2本ずつ装填します。

「きぼう」
は、宇宙で日本独自のシンプルな構造・軽量・高密度という特徴があり、宇宙実験に適しています。

研究ができる実験室。

結晶の回収と引き渡し

実験条件の検討

タンパク質研究に携わる多くの生成された結晶を回収し、方に利用していただけるよう、それぞれの研究者に返却。

JAXAが全面的にサポートしています。

構造解析を行って現在は年に4回程度実施可能です。

いただきます。

また、20℃、4℃の2種類の高品質な結晶が得られるよう、研究者とJAXAが協力して検討を行い、実験条件をJCB-SGTへの溶液の充填は地上で行います。
結晶の生成が国際宇宙ステーション到着後に始まるよう、結晶化溶液やタンパク質溶液の濃度、ゲルチューブの長さを調整します。
結晶化を軌道上で開始するような機構も準備しています。
※JAXA Crystallization Box - Sealbag Gel Tube

決定します。

結晶化容器「PETIT※」

温度帯での実験が可能です。

PETITは、米国便で使用可能な容器です。
宇宙飛行士が指で圧力を加えることにより、2液を分離している膜を破り、軌道上で結晶化開始操作を行うことが可能です。

「きぼう」で実験を実施
結晶を回収して日本実験棟「きぼう」で引き渡し

約2か月間にわたって、実験終了後、タンパク質の結晶生成実験を行います。
結晶を宇宙船で回収。
日本へ運び、それぞれの研究者に返却します。

写真：第1期実験シリーズより国際宇宙ステーションへ輸送
ロシアやアメリカなどのバッチ法として使用する場合には、溶液の量や2液の混合比は変更可能ですし、片側に浸透チューブや透析チューブを入れることも可能です。

宇宙機で、タンパク質を国際宇宙ステーションに運びます。

※Protein Crystallization Research Facility未来へとつながるタンパク質の研究
タンパク質の結晶生成を通じて、具体的にどのような研究が行われているのでしょうか。
未来に向けて大きな期待を集めている研究テーマをいくつかご紹介します。

筋ジストロフィーに有効な薬剤候補化合物の設計

医療研究者 筑波大学 裏出良博 教授

研究者 兵庫県立大学 樋口芳樹 教授

対象となるタンパク質

対象となるタンパク質

H-PGDS

産業用酵素

高効率な水素触媒の創成
ヒドロゲナーゼ

骨格筋細胞の構造を支えるタンパク質「ジストロフィン」の太古より多くの微生物は、水素から生育に必要なエネルギーを取り出したり、異常によって発症するデュシャンヌ型筋ジストロフィーは、逆に余剰なエネルギーを水素として放出したりするシステムを備えています。

まだ根本的な治療法が確立されていない難病です。
ヒドロゲナーゼは、そのシステムの中心的な役割を担うタンパク質です。
しかし最近の動物実験の結果から、水素を生成あるいは分解する触媒は他にもいくつか知られていますが、「H-PGDS（ヒト造血器型プロスタグランジンD2合成酵素）」

ヒドロゲナーゼを超える触媒活性を持つものは実現できていません。というタンパク質の働きを阻害することで、この病気の進行を幅広い分野で研究が進められてきており、燃料電池や水素合成への抑えられる可能性が見出されています。

応用が期待されています。

筑波大学とJAXAは、H-PGDSの立体構造情報に基づく治療薬の開発手法を確立し、ヒドロゲナーゼの優れた水素分解や水素合成の仕組みを解明するため、その成果を製薬企業に提供する試みを進めています。

宇宙実験による高品質な結晶生成が望まれています。
地上で得られた結晶

インフルエンザウイルス創薬

宇宙で得られた結晶

医療研究者 神奈川科学技術アカデミー 朴 三用 プロジェクトリーダー

研究者 中央大学 小松晃之 教授

対象となるタンパク質

対象となるタンパク質

インフルエンザウイルス由来RNAポリメラーゼ

医輸血液代替物の開発

療

ヘモグロビン-アルブミンクラスター

2009年に世界的な大流行を巻き起こした

次世代医療における最重要課題の一つとして新型インフルエンザや2012年に見つかった位置づけられているのが、輸血液の代替物となる新型インフルエンザなど、インフルエンザは人工酸素運搬体の実現です。血液型に関係なく時として多くの健康被害をもたらします。

使用でき、将来にわたって輸血液不足を解消する

血液
血漿アルブミン
架橋剤
血球存在として注目されています。
そんな中、インフルエンザウイルスの複製（増殖）に中心的な役割を担うタンパク質（RNAポリメラーゼ）のその研究において、中央大学の小松教授らが立体構造が、朴 三用教授らの研究グループによってヘモグロビンに血清タンパク質であるアルブミンを解明されました。

結合させた（ヘモグロビン-アルブミン）クラスターを開発。

このタンパク質の構造から設計される薬剤は、どのタイプの生体内で酸素を安定に輸送できることを実証しました。

インフルエンザウイルスにも作用する画期的なこのクラスターの構造を明らかにすることで、安全性や有効性を含め、抗ウイルス剤になると期待されています。

製剤化に向けての重要な知見が得られると期待されています。

赤血球

ヘモグロビン（ヘモグロビン-アルブミン）
クラスター