生物学的バレエ：科学者たちは前例のない明瞭さで分子の「一貫性」のダンスを明らかにする

インペリアル・カレッジ・ロンドン生命科学部のジャスパー・ヴァン・トール教授率いる大規模な国際研究チームは、最近その研究結果をネイチャー・ケミストリー誌に報告した。

結晶学は、分子がどのように配置されているかの「スナップショット」を撮る構造生物学の強力な技術です。いくつかの大規模な実験と長年にわたる理論的研究を経て、新しい研究のチームはこの技術を、分光法として知られる分子の電子および核配置の振動をマッピングするための別の技術と組み合わせました。

研究チームは、世界中の強力なX線レーザー施設でこの新しい技術を実証し、研究したタンパク質の分子が光学的に励起されたとき、その最初の動きが「コヒーレンス」の結果であることを示した。これは、これが生物学的反応の機能部分のその後の動きではなく、振動の影響であることを示唆しています。

初めて実験的に示されたこの重要な違いは、スペクトル物理学が構造生物学の古典的な結晶学的手法にどのように新たな光を当てることができるかを浮き彫りにしています。

ヴァン・トール教授は、「生命を維持するすべてのプロセスはタンパク質によって行われるが、これらの複雑な分子がどのように機能するかを理解するには、原子の配置と反応中にこの構造がどのように変化するかを理解する必要がある。分光法を使用することで、結晶構造を解明することで画像の形で直接見ることができるようになった。現在、私たちは原子分解能に近い非常に速いタイムスケールで分子動力学を理解し、さらには制御するためのツールを手に入れた」と述べた。私たちは、この新しい技術の方法論的詳細を共有することで、時間分解構造生物学および超高速レーザー分光法の分野の研究者がコヒーレントプロセスの結晶構造を探索することを奨励できることを願っています。」

技術の組み合わせ

これらの技術を組み合わせるには、米国のリニアック コヒーレント光源 (LCLS)、日本の SPring-8 オングストローム コンパクト自由電子レーザー (SACLA)、韓国の PAL-XFEL、そして最近ではハンブルクの欧州 XFEL などの X 線自由電子レーザー (XFEL) 施設の使用が必要です。

チームのメンバーは 2009 年から XFEL で研究し、フェムト秒化学として知られるフェムト秒 (10 億分の 1 秒) の時間スケールでの反応性タンパク質の動きを利用し、理解しています。レーザーパルスで励起した後、X 線を使用して構造の「スナップショット」を撮ります。

2016 年、この技術は最初の成功を収め、光によって引き起こされる生物学的タンパク質に起こる変化を詳細に説明しました。しかし、研究者らはまだ重要な疑問を解決する必要がある。それは、最初のレーザー光パルスの直後、フェムト秒の時間スケールでの小さな分子の「動き」はどこで発生するのか?というものだ。これまでの研究では、すべての動きは生物学的反応、つまり機能的な動きに対応していると想定されていました。しかし、新しい方法を使用すると、チームは実験でこれが当てはまらないことを発見しました。

コヒーレント制御

この結論に達するために、彼らは、レーザー光を整形してタンパク質の動きを予測可能な方法で制御する「コヒーレンス制御」を開発しました。 2018年にスタンフォード大学のLCLSで最初の成功が得られた後、アプローチをチェックして検証するために、彼らは世界中のXFEL施設で合計6回の実験を実施し、毎回大規模なチームを編成し、国際協力を形成した。次に、これらの実験データを液滴化学から修正した理論的手法と組み合わせて、分光データではなく X 線結晶学的データに適用できるようにしました。

結論は、ピコメートルおよびフェムト秒の時間スケールで正確に測定された超高速運動は、生物学的反応ではなく、残りの基底状態の振動コヒーレンスに属しているということです。これは、フェムト秒レーザーパルス後に「残った」分子が、その後測定される運動を支配しますが、それはいわゆる振動コヒーレンス時間内のみであることを意味します。

ヴァン・トール教授は、「我々の実験では、たとえコヒーレンス制御を含めなくても、従来の時間分解測定は、実際には、光誘起の生物学的反応とは関係のない、暗い『反応物』基底状態からの運動によって支配されていると結論付けた。代わりに、これらの運動は、従来の振動分光法によって測定された運動とは反対である。」