構造生物学
生物物理学
一分子細胞生物学
分子生物学
バクテリオロドプシン
光学顕微鏡で観察が可能な細胞、そして構造解析(X線結晶構造解析、NMR、クライオ電子顕微鏡、電子回折など)が比較的容易な低分子の生体分子(脂肪酸、補酵素など)に関しての分子構造研究は比較的古くから研究が発展していた。特に電子顕微鏡が開発された後は、比較的大型の生体分子(リボゾームなど)程度の大きさの観察が可能になった。
しかし、分子生物学が発展する前の半世紀前までは、まだ生体の主要成分と知られていたタンパク質およびDNAなど核酸の生体高分子の立体構造に関する知識はまだほとんど知られていなかった。
そんな中、1953年にワトソンとクリックが遺伝子の本体であるDNAの構造をX線回折写真などの情報から2重らせんであることを明らかにし(X線回折像を実際に撮影したのはロザリンド・フランクリン)、DNA2重らせん構造に基づいていかにして遺伝情報が子孫に伝わるかが明確に示された。そして提案されたセントラルドグマによって分子生物学は黎明から一挙に飛躍の道を歩み始める。
タンパク質についてはX線回折実験によってえられる回折強度データから位相決定(いそうけってい)するまでのプロセスよりも、単純にタンパク質の結晶化に大量のタンパクが必要であることがネックとなり、当初はミオグロビン、リゾチームなどが試験された。日本で最初に得られたタンパク質立体構造はカツオ心筋のチトクロームcである。
現在は遺伝子工学的に大腸菌発現系で組み換えタンパクを大量に生産でき、またタンパク質結晶化へのプロセスも体系化されてきた。放射光という強力で波長選択可能なX線光源が利用され、ヘンドリクソンによって新たなMAD法という位相法が開発されたことと、セレン化タンパク質の利用が開発されたことで1990年代に解析能力が指数的に増加した。
コンピュータや測定機器の発展により、多くのタンパク質の構造解析が可能となってきている。ではあるが、結晶化についてはいまだに実験上困難な障壁の一つである。結晶化しやすいタンパク質は好熱菌や高度好塩菌に多いといわれており、膜タンパク質などの不安定なタンパク質においてはこれらの宿主を用いて発現系を構築することもある。2013年位から始まったクライオ電子顕微鏡の技術革新により、それまで構造決定が不可能であったタンパク質の構造が数多く明らかにされている。X線結晶構造解析においても、LCP法(脂質メソフェーズ法)を利用し、それまで困難であった膜タンパク質の構造解析が多くなされている。また、放射光X線、特に挿入光源を用いた微小ビームが利用可能になったこと、ハードウェア、ソフトウェアの開発が進み、測定・解析の大部分が自動化されたことで、実験のスループットが格段に向上したこともX線結晶構造解析の発展に大きく寄与した。
また、タンパク質の折りたたみ(フォールディング)過程の解明やタンパク質のダイナミックなコンフォメーションの変化については、既存の方法では観測が困難である。折りたたみ機構については短いペプチドをコンピュータシミュレーションで折りたたませる方法などがあるが、現実の折りたたみ機構を明らかにする何らかの方法の開発が急がれる。コンフォメーション変化については、一分子観測などのテクニックを用いて行っている。またコンピュータシミュレーションで研究している例もある。
タンパク質や核酸の立体構造が判明しても、生物体内で起きている反応の素過程まで理解できている状況とはいえない。静的な立体構造から、より動的なタンパク質の挙動を測定することが求められつつある。