研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

レーザーを用いたタンパク質結晶化・加工技術の開発
タンパク質の立体構造解析に貢献する新しい高品質結晶生成方法

高野 和文
大阪大学大学院 工学研究科准教授

結晶化が実現できるため、Ｘ線結晶構造上に成功した【5, 6】。
このレーザー加工技術解析法による3次元立体構造解析が可能

により、タンパク質結晶を低損傷で任意のタンパク質の構造解情報からの機能解となった【2】。本結晶化技術は、我々が設立形状に加工することが可能になった（図3、明が病気の治療や創薬に役立つことから、した大学発ベンチャーである（株）創晶で実図4）。

構造ゲノム科学と呼ばれるタンパク質の立用化され、既に製薬企業などから多くの難レーザー加工技術として、レーザーアブ体構造を解き明かす研究が盛んになって結晶化タンパク質などの結晶化を受託し、レーションが普及しているが、最も広く用いおり、詳細なタンパク質立体構造決定の国結晶化・高品質化に成功し、生命科学のられている炭酸ガスレーザー（波長10.6 μ研究の背景

際競争が始まっている。
タンパク質の立体進展、病気の治療や創薬に貢献している。

m）
やNd:YAGレーザー（波長1.06 μm）に構造を精密に決定するには、高品質タンパ

このフェムト秒レーザー照射によるタンパよる加工は、レーザー光照射時に被加工材ク質結晶を用いたＸ線結晶構造解析法がク質結晶核形成という現象は、これまでの最も有効な手段であるが、タンパク質高品常識とは異なる全く新しい原理・現象を利質結晶化の成功率が非常に低いことが3用しているため、その現象メカニズムは総じ次元立体構造解析のボトルネックとなってて未知であったが、最近では、この現象のいる。
また、これまでタンパク質結晶の加工原理解明を進め、そのメカニズムが明らかには、メスなどを用いた手動操作による機【3, 4】。になってきた（図2）
簡潔に記述する

械的な加工が行われてきたが、高度な技術と、タンパク質溶液中に照射されたフェムを要する他、再現性や成功確率が非常にト秒レーザーによるキャビテーション（空孔）低い操作であるため、画期的な加工技術が、瞬時に膨張・収縮し、一時的・局所的にの開発が望まれていた。

タンパク質の高濃度領域を作製し、結晶核

図1 フェムト秒レーザー照射によって得られたグルコースイソメラーゼ結晶
（a）
育成１日

レーザー照射有り

静置（レーザー照射なし）（b）
育成7日が形成される。

研究の成果
1. フェムト秒レーザー照射によるタンパク質結晶核形成
タンパク質溶液へのフェムト秒レーザー

2. 全固体紫外レーザーによるタンパク質結晶加工
全固体紫外レーザーによるタンパク質結レーザー照射有り

晶加工技術を開発し、構造解析の精度向照射が、効果的にタンパク質結晶核を発【1】。
生させることを発見した（図1）
この発見により、従来法では結晶核発生確率が図2 フェムト秒レーザー照射による結晶形成メカニズムゼロの条件においても結晶核発生が可能

レーザーになることによる結晶化成功率の飛躍的な向上、および結晶核発生を結晶成長に適した溶液条件で行うことによる結晶の高品質化が実現した。そして、従来法では高品質結晶化が不可能であった難結晶化タ
ンパク質についても、本技術により高品質

タンパク質分子キャビテーション

結晶静置（レーザー照射なし）

図3 タンパク質結晶のレーザー加工

図4 凍結タンパク質結晶のレーザー加工料に大きな温度上昇を生じるため、熱変性

パク質結晶加工技術は、結晶に損傷や変質的なポイントとなるが、キャビテーション表を回避しなければならないタンパク質結晶性を引き起こすことなく加工を実施できる。

面での高濃度化では限界がある。そこで、レーザーとゲルを利用して、平衡状態ではの加工においては不適である。これに対して、深紫外光は、赤外光や可視光に比べ将来の展望実現できない高濃度圧縮を達成し結晶化を誘起する全く新しい結晶化手法の開発て光子エネルギーが高く、パルスレーザー光も進めている。

を用いることで、発熱による悪影響が少なタンパク質の結晶化や結晶加工の分野

い高精度で平滑な加工が達成できるため、に、初めてレーザーを導入することで、新し以上のように、本研究成果は、エレクト生体系材料の加工において都合が良いとい効果的な技術の開発に至ることができロニクス技術の構造生物学分野や創薬考えられる。
また、レーザーアブレーションのた。
レーザー加工技術においては、より簡分野への新しい応用を見出すとともに、タ特性は、ターゲットの吸光度に依存する。
タ

便な手法の開発も進めており、最近では、ンパク質の結晶構造解析に役立てられる

ンパク質は波長300 nm以下の紫外光をゲル中で結晶化した結晶での加工がよりことにより、生命現象の解明という基礎分吸収し、特に、波長200 nm以下の深紫外実用的であることを報告した。引き続き、
よ野から、医療・創薬などの応用分野に至る領域では非常に高い吸収係数を持つ。
しり良い技術へと進化するよう取り組んでいまで、ライフサイエンスに関する広い領域たがって、動作波長190 nm〜200 nm程る。また、レーザー結晶化技術では、原理に大きく貢献することが期待されている。

度の短パルス深紫外レーザーが、タンパク解明を進めた結果、現在の技術での限界

本研究は、阪大創晶プロジェクトを中心質結晶の加工に特に適した光源と判断すと新展開の方向性も見えてきた。例えば、とした多くの共同研究者との共同研究にることができ、本研究で開発した動作波長タンパク質の結晶核発生では、タンパク質基づいており、ここに深く感謝いたします。

193 nmの深紫外固体レーザーによるタン分子をどこまで高濃度圧縮できるのかが本References（参 考 文 献）【1】Adachi H, Takano K, Hosokawa Y, Inoue T, Mori Y, Matsumura H, Yoshimura M, Tsunaka Y, Morikawa
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【2】Numata T, Ikeuchi Y, Fukai S, Adachi H, Matsumura H, Takano K, Murakami S, Inoue T, Mori Y, SasakiT, Suauki T. Nureki O. (2006) Crystallization and preliminary X-ray analysis of the tRNA thiolation enzyme
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【3】Yoshikawa HY, Murai R, Sugiyama S, Sazaki G, Kitatani T, Takahashi Y, Adachi H, Matsumura H,
Murakami S, Inoue T, Takano K, Mori Y. (2009) Femtosecond laser-induced nucleation of protein
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【4】Murai R, Yoshikawa HY, Takahashi Y, Maruyama M, Sugiyama S, Sazaki G, Adachi H, Takano K,Matsumura H, Murakami S, Inoue T, Mori Y. (2010) Enhancement of femtosecond laser-induced
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【5】Kitano H, Adachi H, Murakami A, Matsumura H, Takano K, Inoue T, Mori Y, Owa S, Sasaki T. (2004)
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【6】Kitano H, Matsumura H, Adachi H, Murakami S, Takano K, Inoue T, Mori Y, Doi M, Sasaki T. (2005) Protein
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