岩田想 医学研究科教授（理化学研究所放射光科学総合研究センターSACLA利用技術開拓グループディレクター）、桝田哲哉 農学研究科助教、菅原道泰 理化学研究所特別研究員、鈴木守 大阪大学准教授、登野健介 高輝度光科学研究センターチームリーダーらの共同研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free-Electron Laser）施設「SACLA」のX線レーザーを用いた「連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）」において、タンパク質結晶輸送媒体としてヒアルロン酸が利用できることを発見しました。
これにより、SACLAのX線レーザーを用いたSFXでは課題となっていた試料の放射線損傷の問題を解決でき、30マイクロメートルサイズ以下のタンパク質微小結晶でも少量の試料消費量で、さまざまなタンパク質の立体構造（結晶構造）を決定できます。
本成果は、2016年4月18日に英国の科学雑誌「Scientific Reports」で公開されました。
研究者からのコメント
自由電子レーザーSACLAは100兆分の1秒という短い時間の間でタンパク質結晶からX線回折像を測定し、 タンパク質の形を原子レベルで明らかにすることができる全く新しいX線源です。これを用いることにより 今回のように化学反応が起こるより早くデータを測定することや、タンパク質の動きを映画のように可視化することが可能になります。今後、基本的な生命現象理解やそれをもとにした医学、薬学の発展に重要な役割を果たすと考えられています。
概要
タンパク質の立体構造を決定するには、タンパク質結晶にX線を照射したときに得られる回折イメージを解析する「X線結晶構造解析」が適しています。大型放射光施設「SPring-8」の放射光をX線結晶構造解析に用いる場合、一般にサイズが30マイクロメートル以上のタンパク質結晶が必要です。しかし、30μm以上のタンパク質結晶を得るのは困難です。特に創薬などの研究用途で重要なヒトを含む動物由来のタンパク質は、結晶化できる十分な量を得るのが難しく、結晶も回折実験に適した十分なサイズに成長しません。また、実験中にタンパク質結晶が放射線損傷を起こすことも大きな問題でした。X線自由電子レーザーのX線レーザーは試料への照射時間が超短時間のため、タンパク質が壊れる前の微結晶の回折イメージを検出できますが、この方法には10～100 mgという大量のタンパク質から得た結晶が必要という課題がありました。
この課題を克服すべく、本研究グループは2014年、タンパク質結晶を高粘度物質のグリースに混ぜ、インジェクター噴射装置からゆっくりと試料を押し出し、さまざまなタンパク質結晶のX線回折実験を行うことができる「グリースマトリックス法」を開発しました。この方法では、ゆっくりと試料を流すため、液体ジェット法の1／10～1／100に相当する1 mg以下のタンパク質試料での構造決定が可能になりました。しかし、グリースとタンパク質結晶を混合した際に、いくつかの試料で結晶に亀裂が入ったり、結晶が溶けてしまうといった問題に直面しました。
そこで、本研究グループは、タンパク質結晶輸送媒体としてヒアルロン酸水溶液を利用することでこの問題を解決しました。試料に応じて、ヒアルロン酸およびグリースを相補的に利用することで、創薬ターゲットとなる多様なタンパク質の結晶構造解析が可能になると期待されます。
図 ：ヒアルロン酸を用いて決定されたプロテイナーゼKの結晶構造
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 http://dx.doi.org/10.1038/srep24484
【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/210352
Michihiro Sugahara, Changyong Song, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Shigeyuki Inoue, Takanori Nakane, Fumiaki Yumoto, Eriko Nango, Rie Tanaka, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takashi Kameshima, Takaki Hatsui, Makina Yabashi, Osamu Nureki, Keiji Numata & So Iwata. (2016) Oil-free hyaluronic acid matrix for serial femtosecond crystallography. Scientific Reports, 6, Article number: 24484
