理化学研究所(理研)は、兵庫県・西播磨にあるX線自由電子レーザ(XFEL)施設「SACLA(さくら)」において、生体内で起こる化学反応を可視化する技術を開発したと発表した。

同成果は、理研 放射光科学総合研究センター 城生体金属科学研究室の當舎武彦 専任研究員、杉本宏 専任研究員、久保稔 専任研究員、城宜嗣 主任研究員(研究当時、現兵庫県立大学大学院生命理学研究科)、高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室の登野健介チームリーダーらの研究グループによるもの。詳細は、国際科学雑誌「Nature Communications」(オンライン版)に掲載された。

酵素は、生体内でさまざまな化学反応を行っている。そのメカニズムを知るためには酵素の構造とその変化を原子レベルで見ることが不可欠だが、これまで反応前や反応後など酵素が止まっているときの構造は見られても、酵素が反応している最中の構造を見ることは困難だった。

研究グループは今回、光を照射すると酵素が作用する分子(基質)を放出する「ケージド化合物」と、SACLAのX線を組み合わせることで、酵素が反応している最中の構造を原子レベルで見る技術を開発した。

まず、ケージド化合物を浸み込ませた酵素の結晶に光(パルスレーザ)を照射し、ケージド化合物から基質を放出させ、放出された基質と酵素の反応中にSACLAのX線を照射してX線結晶構造解析を実施する。同手法により、照射するパルスレーザとSACLAのX線は時間的に同期しているため、反応開始から任意のタイミングで酵素の姿を捉えることに成功した。

酵素の化学反応を見るための実験スキーム (出所:理化学研究所Webサイト)

さらに、この技術をカビの中で一酸化窒素ガス(NO)を亜酸化窒素ガス(N2O)に変換する一酸化窒素還元酵素に応用した。この酵素は鉄原子を含んでおり、その鉄原子上で酵素反応が起こる。研究グループは、酵素とNOの反応開始から0.02秒後の状態を解析することで、酵素がNOを取り込む瞬間の構造を捉えることに成功した。

同技術を用いることで、さまざまな酵素の働く仕組みが解明され生命現象の理解が進むだけでなく、新薬の設計や開発などへの応用も期待できるという。