今日の話題

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782 化学と生物 Vol. 52, No. 12, 2014

力学刺激でタンパク質間相互作用を操作する

遺伝子操作も化学物質も使わない新しい生命操作技術の開発

私たちは日常，1気圧程度の環境下で暮らしている．

僅か指先程度の面積（〜1 cm²）に1 kgもの負荷がかかっているのだが，日常生活で実感することはない．多くの人にとって，気圧や圧力と言われてまっさきに思い浮かべるのは，天気予報で耳にする気圧配置であり，健康診断で一喜一憂する血圧といったところであろう．いずれにしても，圧力は熱力学的に重要なパラメーターであるものの，温度と比べてなじみが少ないのが実情である．ところが，意外に思われるかもしれないが，私たちの身近には圧力を利用した食料品が満ちあふれてい

る^（1, 2）

．たとえば，圧力は，ジャムやジュースなどの食

材加工や，加熱に代わる殺菌手法として利用されている．また，加圧により肉類のうまみを増す試みもある．

高圧力は生体試料にいったいどのような影響を与えるのであろうか？

生体内に含まれる物質の中でも，タンパク質は圧力の影響を受けやすい物質の代表例である^（2, 3）

．多くの生物

は大気圧環境（1気圧＝0.1 MPa）で生息しており，そのタンパク質は分子間相互作用により複合体を形成し，酵素活性をはじめとする機能発現を行っている．これが 100 MPa程度の圧力環境下になると，主にタンパク質表面の水和状態が変化し，タンパク質分子間の結合に寄与する静電相互作用，疎水性相互作用，水素結合などが弱められ，オリゴマーの解離がはじまる．さらに500 MPa 以上の圧力になると，タンパク質内部のキャビティーにまで水分子が侵入してしまうため，立体構造は崩壊し，

機能活性も当然ながら失われることになる．筆者らは，

100 MPa程度の圧力領域では，タンパク質は変性しないまでも構造や機能が変化することに着目し，これらの変化を光学顕微鏡下で実時間観察できる新しい分析手法を開発してきた^（4, 5）

．

図

1

に倒立型顕微鏡に設置した高圧力チャンバーの写真を示す．筆者らが開発した装置は，高圧力チャンバーに実験サンプルを封入し圧力をかけながら，チャンバー内部を顕微鏡で観察する簡単な仕様となっている．高圧ハンドポンプを文字どおり「手動」で動かせば，チャンバー内の圧力は，地球上で最も深い場所である太平洋のマリアナ海溝チャレンジャー海淵最深部（10,924 m, 海上保安庁観測船による測定値）の静水圧〜110 MPa以上に増加させることができる．また，高圧力下であっても，常圧力と変わらぬ解像度で観察できる性能がある．

図1■高圧力顕微鏡の写真

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化学と生物 Vol. 52, No. 12, 2014

これまでの高圧力研究で利用されてきたNMRや蛍光スペクトルといった分光法とは異なり，光学顕微鏡はサブマイクロメートル以上の大きさをもつ構造体の観察に適している．つまり，1分子よりも上の階層，すなわち，

分子集合体や細胞，組織といった，より複雑な生体試料が高圧力下でどのように変化するのか直接観察できる^（6）

．

では本当に，高圧力下でタンパク質間の相互作用が弱まる様子を観察できるのであろうか？筆者らは，代表的な細胞骨格である微小管を用いて実験を行った．微小管は，チューブリン分子が数珠つながりに結合したプロトフィラメント13本が土管のように束ねられ，1本の繊維状構造をとっている．代表的な有糸分裂阻害剤存在下

（10

μ

M Paclitaxel）では，チューブリンの脱重合反応が抑制されるため，フィラメント構造は長期間にわたって維持されるはずである．しかしながら，150 MPaの圧力下で方向性をラベル化した微小管を観察したところ^（6）

，

両端から同じ速度で短縮し始める様子が捉えられた（図

2

_）

．その短縮速度は約500倍に加速され，1 μ

m min⁻¹ に達していた．高圧力下では，チューブリン分子間の結合部分に水分子が侵入しやすくなり，解離反応が進行すると考えられる．この水分子による微小管脱重合メカニズムは，連なったチューブリン分子のMD計算を併用することで明らかにできるであろう．と言うのも，計算機

実験の場合，チューブリンと水分子を入れる箱を小さくするだけで高圧力環境をつくりだせるため，筆者らの実験結果と比較できるからである．また，筆者らの手法を応用すれば，常圧力下よりも速い速度で解離反応を促進できるので，新薬のスクリーニングなどに応用できるであろう．

次に，生きた細胞内で働くタンパク質の操作について紹介する．細胞の中にある物質のうち約7割は水分子であり，タンパク質の周りをぐるりと取り囲んでいる．細胞の外から圧力をかけると，その力学刺激は細胞膜の変形を介して内部に伝わり，タンパク質の水和状態を変えることになる．筆者らは，大腸菌の回転器官であるべん毛モーターが，高圧力下で逆向きに回転することを発見した^（5）

．おそらく，細胞内の水がモーターを構成するタ

ンパク質に作用することで，モーター全体の構造を大きく変えてしまったと考えられる．遺伝子操作はもとより，化学物質を一切用いることなく，高度に発達した細胞の運動器官を細胞外から操作できたことになる．

近年，タンパク質の発現量や個体発生時の形態が，細胞外から与える力学刺激に応じて，大きく変化することが明らかにされている^（7）

．これまでは，細胞を基盤に固

定し培養液を一定方向に流し，発生する流れずり応力を細胞への力学刺激として用いられてきた．しかしながら，実際に細胞に加わる刺激は，細胞の形状などに依存して変わってしまうため，定量的には扱いにくい．それに対して，筆者らが開発した高圧力顕微鏡法を用いると，細胞や組織の形状に依存せずどの方向からも一様な負荷を与えながら，その応答を詳細に実時間観察することができる．個体発生や分化誘導などへの応用を見据えて，今後もメカノバイオロジーの新潮流として発展させていきたい．

1) 山本和貴：日本調理科学会誌，42, 417 (2009).

2) 毛利信男（編）：新しい高圧力の科学，講談社サイエンティフィック，2003, p. 244.

3) 阿部文快：化学と生物，42, 573 (2004).

4) 西山雅祥，木村佳文：LTMセンター誌，22, 18 (2013).

5) 西山雅祥，曽和義幸：化学，68, 33 (2013).

6) M. Nishiyama : , 96, 1142 (2009).

7) 小椋利彦（監修）：細胞工学，33, 9月号，2014.

（西山雅祥，京都大学白眉センター）

図2■高圧力下で観察された微小管の脱重合反応

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784 化学と生物 Vol. 52, No. 12, 2014 プロフィル

西山雅祥（Masayoshi NISHIYAMA）

＜略歴＞1996年大阪市立大学理学部物理学科卒業／2001年大阪大学大学院基礎工学研究科博士後期課程修了（大阪大学博士

（理学）取得）／同年科学技術振興機構国際共同研究1分子過程プロジェクト博士研究員／2002年京都大学大学院理学研究科助手／2007年科学技術振興機構さきがけ兼任研究員／2012年京都大学白眉センター特定准教授，現在に至る＜研究テーマと抱負＞新しい光学顕微鏡を開発し，生体分子が動くしくみを明らかにすること＜趣味＞