タンパク質はあらゆる生物の構成要素であり、その種類は事実上無限にあります。その多くは非常に複雑な構造を持ち、まだ解明されていません。こうした構造は、新薬の開発や基本的な生物学的プロセスの理解の鍵となる可能性があります。
しかし、こうした複雑に折り畳まれた分子の原子配列を解明するには、通常、詳細に観察できるほど大きな結晶を形成させる必要があります。多くのタンパク質では、それが不可能か、極めて困難です。
今回、MITなどの研究者が開発を進める新技術は、構造がどれほど複雑であっても、結晶化させずに個々のタンパク質を非常に詳細に画像化できる可能性を示しています。この研究成果は、 MITの大学院生Ashok Ajoy、博士研究員Ulf Bissbort、原子力科学・工学准教授Paola Cappellaroをはじめ、MIT、シンガポール工科デザイン大学、ハーバード大学の研究者らによって、 学術誌 Physical Review X に発表されました。
この技術では、ダイヤモンドの結晶構造内にある微小な欠陥を利用します。こうした欠陥は、実験室で制御して生じさせることができます。窒素空孔（NV）中心と呼ばれる欠陥は、窒素原子が結晶構造に導入され、間隔が完全に整ったダイヤモンド格子内の炭素原子1個と置き換わることで生じます。
こうした格子には、自然に生じる空孔、すなわち格子内の本来の位置から炭素原子が欠けた不完全な部分が含まれることもあります。窒素原子と空孔が結びつくとNV中心が形成され、すぐ近くに置かれた原子中の陽子や電子の位置と特性、具体的にはスピン状態を検出するために利用できます。
そのためには、ダイヤモンド表面にレーザー光を照射し、NV中心を蛍光させます。放出された光を検出して分析することで、近くの粒子のスピンに関する詳細を再構成できます。
Ajoyによると、ダイヤモンド中のNV中心を利用する能力はここ数年で発展し、多くの研究グループが現在、量子計算や量子通信への応用に取り組んでいます。NV中心がダイヤモンド表面に非常に近い、つまり数ナノメートル以内にある場合、表面に置いた分子内の粒子のスピン状態を検知することもできます。原理上は個々の原子とその位置を検出して配置図にでき、分子構造を明らかにできます。
「生体分子をダイヤモンドの上に置き、その構造を特定しようという考えです」とAjoyは説明します。タンパク質では「構造と機能は密接に関係しています」と同氏は述べ、この構造を正確に図示できれば、基本的な生物学的プロセスの仕組みと、特定の分子標的に作用する新薬の開発方法の双方を理解する助けになる可能性があります。
「標的分子に結合したり、その周囲を囲んだり、あるいは標的分子を遮断したりするものの開発に役立つ可能性があります」とAjoyは述べます。「第一歩は構造を知ることです。」
タンパク質の分子構造を解読する取り組みでは、主にX線結晶構造解析、透過型電子顕微鏡法、核磁気共鳴法が用いられてきました。しかし、いずれの方法も大量の試料を必要とします。たとえばX線回折では分子を結晶として凝集させる必要があるため、どの方法も個々の分子の研究には使えません。このことが、こうした技術の適用範囲を大きく制限しています。
「結晶を成長させられなかったり、成長させるのが非常に難しかったりして、うまくいかない分子はたくさんあります」とAjoyは述べます。「こうした分子には、結晶が不要で、単一の分子さえあればよい私たちの方法が役立つかもしれません。」
さらに、他の技術では極低温や真空などの特殊な条件が必要ですが、新技術なら「おそらく室温で、周囲環境のまま構造を特定できるかもしれません」と同氏は述べます。
これまでの研究は理論段階であり、チームはすでに次の段階、すなわちこの技術に基づく実際の画像の作製に着手しています。「1年前にこの装置の構築を始め、予備実験も行っています」とAjoyは述べます。分子の実画像が得られるまでには、まだ数年かかる見込みだと同氏は言います。
ドイツのウルム大学で量子光学の教授を務めるFedor Jelezkoは、この研究には参加していませんが、この技術を「生体分子の構造決定に向けた新技術の開発における非常に重要なブレークスルー」と評します。「これは非常に優れた研究であり、多くの科学分野に極めて大きな影響をもたらすでしょう。この論文のアイデアに基づく実験を、世界各地の複数のグループが実現しようと試みることは間違いありません。」
Ajoy、Cappellaro、Bissbortのほか、ハーバード大学の物理学教授Mikhail Lukinと上級講師Ronald Walsworthがチームに参加しました。この研究は、米陸軍研究局と国防高等研究計画局の支援を受けました。
この記事は、 MIT Newsとの共同で公開されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：David L. Chandlerはフリーランスのライター兼著者で、1975年から科学について執筆しています。
画像：Hatton Garden Jewellery Emporium内のSerendip Jewellersに展示された2つのダイヤモンド。REUTERS/Luke MacGregor。
