中性子非弾性散乱法による水和したタンパク質の動的構造解析 Dynamics of hydrated protein studied by neutron inelastic scattering 中川洋 Hiroshi NAKAGAWA 独立行政法人日本原子力研究開発機構 Independent Administrative Institution Japan Atomic Energy Agency 1.タンパク質の揺らぎと水和生体内で様々な生理機能を担うタンパク質は、周囲の熱揺らぎにさらされながらその構造を巧みに変化させることで機能を発揮する。タンパク質は通常、生理環境である水中で機能している。水環境にあるタンパク質の表面には水和水が存在しており、タンパク質の揺らぎに影響を与えている。水和はタンパク質の安定性や生理機能発現に関連することから、タンパク質の揺らぎに対する水和の役割を調べることは重要である。タンパク質がその機能を発現するためには、「動力学転移」と呼ばれる 240 K 近傍以上の温度で活性化されるタンパク質の「構造の揺らぎ」が重要であると言われている。この揺らぎはタンパク質が水和することによって生じることが分かっているが、これまで水和状態と揺らぎの関係については良く分かっていなかった。そこで核酸分解酵素スタフィロコッカルヌクレアーゼ（ SNas e ）を用いて、中性子非弾性散乱実験を行うとともに、分子動力学法 (MD)によるシミュレーション計算を援用し、タンパク質の揺らぎが水和水の構造や揺らぎとどのように関係しているのかについて研究を行った [1]。図 1 は、中性子非弾性散乱実験により得られた、タンパク質および水和水の揺らぎの温度依存性である。高い水和率でのみ、240K 以上の温度領域で水和水の揺らぎが増大し、タンパク質の動力学転移を誘導されることが分かる。水和率を細かく変えた実験の結果、このようなタンパク質の大きな構造揺らぎは水和率が 0.37(g water /g protein)以上で起きることが明らかになった。次に、タンパク質表面における水和水の存在形態の水和率依存性を計算機シミュレーションにより解析した (図 2)。水和率が小さい状態では、ほとんどの水分子は、タンパク質表面で他の水からは孤立した状態で配位するが、水和率を増やしていくと、0.37 以上の水和率で水分子同士の水素結合が急激に増大し、タンパク質はかご状に形成された水和水ネットワークによって取り囲まれるようになることが分かった。これらのことから水和水がタンパク質表面全体を覆うネットワークを形成し、その揺らぎがタンパク質の機能発現に関わる揺らぎを誘導すること、すなわち、この水和水のネットワーク形成こそが、タンパク質の働きに必要な水の本質的役割であることが示された。 2.中性子によるタンパク質の動態解析の展開以上の研究は、タンパク質の水和に関する構造揺らぎの研究であるが、他にも多くの研究で中性子が有効に活用できると考えている。その一つに構造の揺らぎが機能に密接に関わる天然変性タンパク質が挙げられる。中性子非弾性散乱法は、中性子の”非干渉性散乱”を利用した測定法であるため、測定対象は規則的な構造を取っている必要はない。測定対象が規則構造を取っているかどうかを問わないという意味で、中性子非弾性散乱法はＸ線小角散乱法 (SAXS)と同じく有効である。S A XS により観測される構造情報は時間平均された像であるが、中性子非弾性散乱では、どのような時間スケールで揺らいでいるか？、ある時間スケールにおいてどのくらいの空間的広がりで揺らいでいるか？、ということを定量的に解析することができる。天然変性タンパク質の研究に SAXS 実験は有効であるが、SAXS に加えて中性子散乱による解析を行えば、より詳細な動的構造解析が可能となると考えている。また MD 計算は、中性子散乱が観測可能な時空間スケールのダイナミクスをカバーし、さらに原子レベルの分解能で構造ダイナミクスを可視化することができるほか、中性子散乱データを定量的に計算しやすいという特長を持つ。 M D 計算と SA XS 実験に加え、中性子非弾性散乱実験による解析が相互に結びつけば、天然変性タンパク質の動的構造解析にさらなる進展が期待できると考えている。これまで非弾性散乱によるタンパク質の揺らぎ研究は、中性子源である原子炉や加速器が整備されている欧米で進んできた。我が国では 2008 年度から、大強度陽子加速器計画 (J-PARC)が稼動を開始し、世界最高性能のパルス中性子源が利用可能となっている [2]。” 生体分子の動的構造 ” に着目した次世代の生物物理学・構造生物学研究をリードする実験手法の一つとして、中性子非弾性散乱は有効になると考えている。図 1(左) 水和率の違いによるタンパク質および水和水の揺らぎの大きさの温度依存性の違い。図 2(右) 計算機シミュレーションによる水和構造の水和率依存性。灰色はタンパク質表面。水和水のネットワークの大きさの順に、赤、緑、黄、青で示す。参考文献 [1] H. Nakagawa and M. Kataoka, “Percolation of Hydration Water as a Control of Protein Dynamics”, J.Phys.Soc.Jpn. 79, 083801 (2010) [2] ht tp :/ /j - p arc .j p /