大型放射光施設 SPring-8

公開日

2009年03月18日

2009年3月18日
国立大学法人 京都大学
国立大学法人 名古屋大学
独立行政法人 理化学研究所
財団法人 高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
● 世界で初めて、かご型タンパク質に金属が集積する過程を単結晶X線構造解析にて解明
● 骨や真珠の形成反応解明へ前進
● 半導体や磁性材料開発への応用に期待

1. 背景
　生命を維持する為に必要不可欠な骨や歯といった生体無機材料は、ある特定のタンパク質表面に金属イオンが自発的に集積し、その後いくつかのステップを経て合成されます。このような反応はバイオミネラリゼーション^※3と呼ばれ、近年では、骨の老化や地球温暖化によるサンゴの破壊等につながる重要な反応としても注目されています。さらに、この反応機構をエレクトロニクス材料作製に応用する試みも材料科学の分野で急速に広がっています。しかしながら、従来の研究では、生体反応を模倣した無機材料の作製に焦点がおかれ、タンパク質への金属イオンの集積過程については、原子レベルでの詳細な知見は未だ明らかにされていません。それは、金属イオンがタンパク質上で非常に動きやすい為、その反応を解析するのが困難なことに原因があります。もし、この機構を明らかにできれば、環境問題や材料科学の分野へ大きなブレイクスルーをもたらすと考えられます。

2. 研究手法
　今回、研究グループは、バイオミネラリゼーション反応を促進するタンパク質かご分子フェリチン（Fr）を用い、低濃度、中濃度、高濃度のPd^IIイオンを内包するPd^II/フェリチン複合体を作製しました。これらの複合体はフェリチン内部への金属イオン集積過程の中間状態と考えられます。従って、それぞれの複合体を結晶化し、結晶構造を明らかにすれば、金属イオン集積に連動するアミノ酸残基や金属イオンの配位構造変化のモデルと見なすことができます。
　本実験では、（1）タンパク質中に存在する高エネルギー25keV付近に吸収端を持つPd原子の座標を異常分散効果^※4によって精密に決定し、かつ（2）原子分解能以上レベルでPd^IIイオンの結合に伴うアミノ酸残基の構造変化を高精度で決定することが必要です。従って、両方の測定条件を満たす回折データの収集を世界最高レベルの高エネルギーかつ高フラックスな大型放射光施設SPring-8の構造生物学 I ビームライン（BL41XU）を使用することによって実現しました。

3. 研究成果
　構造決定されたPd^II/フェリチン複合体の全体像から、反応させるPd^IIイオンの数を増加させると、結合するPd^IIイオンの数も増加していく事がわかりました（図1）。異なる量のPd^IIイオンを含む一連のPd^II/フェリチン複合体の結晶構造は3回軸チャネルと金属集積サイトと呼ばれる2つの集積領域が存在することを示しています（図2上）。特に、金属集積サイトでは、Pd^IIイオンの増加に伴い、His49やGlu53等の金属結合性アミノ酸残基の側鎖が劇的な構造変化を起こしている事が明らかとなりました（図2下）。つまり、周辺残基のHis49やGlu53はその構造変化によってPd^IIイオンの結合を安定化させ、金属集積サイトへ結合するPd原子数の増加を促進していると考えられます（図2下）。一方、100等量から200等量へ反応させるPd^IIイオンの量を増加しても、Pd^IIイオンの数と配位構造は変化しない事がわかりました（図2下）。一般的に、Pd^IIイオンは平面四配位錯体を形成します。従って、100等量以上では、金属集積サイトに集まったPd^IIイオンは周辺アミノ酸残基との相互作用によって、Pd^IIイオンの平面四配位構造が安定化されるような多核構造^※5を形成するために、それ以上の数の金属イオンが集積できなくなり、緑色で示した結合サイトへ結合していくと予想されます。

4. 今後の期待
　本手法は、様々なタンパク質への金属イオン集積過程の観察に適応可能であることから、骨や真珠の形成反応の解明へとつながります。さらに、タンパク質をテンプレートとし、組成やサイズ、形状を制御した半導体や磁性材料作製への応用が期待できます。

〈参考資料〉

図 1. パラジウム反応前と、50、100、200等量のパラジウムを反応させたフェリチンの結晶構造。
SPring-8 BL41XUビームラインの使用により、パラジウム原子のみを見分ける事が可能となり、紫色で示すように、パラジウム原子の結合数がかご分子内部で増加していく様子がわかる。

図2. パラジウム集積構造変化の詳細。
フェリチンのかご構造は同一のタンパク質24個からなっており、その一個の構造を示している。最初、取り込まれたパラジウムはピンク（三回軸チャネル）と青（金属集積サイト）で示した部位に結合する。その後、金属結合サイトへの結合数が増加し、多核構造の金属で満たされると、緑に示す部位へ結合する（図上）。その際、金属集積サイトでは、結合数の増加に伴いHis49とGlu53の側鎖が大きく構造変化している事がわかる（図下）。青の編みかけは、SPring-8 BL41XUビームラインの使用により見分ける事が出来たパラジウムの電子密度。

〈用語解説〉

※1　フェリチン
　フェリチンは24個の単量体から構成される外径12nmの球状タンパク質であり、分子量は約480kDaである。生物学的には鉄貯蔵の機能を有する。直径8 nmの内部空間で数千もの鉄イオンをFe^IIからFe^IIIへ酸化し、酸化鉄ミネラルの状態で堆積する。鉄以外にも数種類の金属イオンや有機小分子を内部空間に集積できることがわかっている。

※2　大型放射光施設 SPring-8
　兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その管理運営は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、
電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、 細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

※3　バイオミネラリゼーション
　生物によって無機化合物が作られる反応の総称。珪藻が作るシリカ被殻、真珠や貝殻を構成する炭酸カルシウムの結晶や磁性細菌が作り出す磁性微粒子が知られている。

※4　異常分散効果
　原子に固有のX 線吸収波長の付近で吸収が不連続的に大きく変化する現象。原子によってX 線吸収波長が異なる事を利用して、各原子の位相の区別や絶対構造の決定に大きな威力を発揮する。

※5　多核構造
　複数の金属イオンが寄り集まって一つの構造体を形成する事の総称。