個々の分子の質量を一つずつ測定できる 史上初の機械式装置 を開発したカリフォルニア工科大学（Caltech）の科学者チームとその共同研究者らは、その形状も明らかにできるナノデバイスを開発しました。こうした情報は、大きなタンパク質分子や、複雑なタンパク質分子の集合体を特定するうえで極めて重要です。
「多くの異なる小さなサブユニットからなる大きなタンパク質複合体は、さまざまな形で組み立てられると想像できるでしょう。実際には異なる生物学的機能を持つ別種であっても、質量がかなり似ている場合があります。これは特に、体内の化学反応を媒介するタンパク質である酵素や、細胞とその環境との相互作用を制御する膜タンパク質に当てはまります」と説明するのは、 Michael Roukes氏です。同氏はカリフォルニア工科大学（Caltech）の物理学、応用物理学、生物工学担当Robert M. Abbey教授であり、この技術を紹介する論文の共同責任著者です。論文は3月30日、学術誌『Nature Nanotechnology』のオンライン版に掲載されました。
ゲノミクス革命を支えてきた基盤の一つは、ポリメラーゼ連鎖反応を用いてDNAまたはRNA分子を大量複製し、通常の配列決定や分析に必要な数百万ものコピーを作製できるようになったことです。しかし、同じ大量生産技術はタンパク質の複製には使えません。現時点では、特定のタンパク質を正確に特定するには、そのタンパク質だけを通常数百万コピー用意し、汚染物質となる他の余分なタンパク質をほとんど含まないようにする必要があります。次に、この分子集団の平均質量を質量分析法と呼ばれる技術で評価します。この方法では、分子をイオン化して電荷を帯びさせた後、電磁場と相互作用させます。この相互作用を分析することで、科学者は分子の質量電荷比を推定できます。
しかし質量分析法では、質量電荷比が似た分子間にある、わずかでも重要な違いを識別できないことがよくあります。「今日の質量分析法では」とRoukes氏は説明します。「大きな分子や分子複合体は、まず多数の小さな断片、つまり既存の装置で扱える小さな分子断片に切り分けられます。これらの断片を個別に分析し、その後、コンピューターシミュレーションを含むバイオインフォマティクスを使って、パズルを組み立て直します。しかし、異なる複合体の断片が混ざると、この再構成過程が妨げられることがあります。」
Roukes氏と共同研究者らは、デバイスを使って、損なわれていない個々の分子の質量を測定できます。各デバイスはサイズがわずか数百万分の1メートル以下で、ナノ電気機械システム（NEMS）共振器と呼ばれる振動構造で構成されています。粒子や分子がナノデバイスに着地すると、加わった質量によって構造が振動する周波数が変化します。ギターの弦にハンダを滴下すると振動周波数とその結果生じる音が変わるのとよく似ています。周波数に生じた変化から、粒子の質量に関する情報が得られます。しかし新しい論文で説明されているように、この変化は質量の三次元空間分布、すなわち粒子の形状を特定するためにも利用できます。
「ギターの弦は一つの周波数だけで振動するわけではありません」とRoukes氏は言います。「基本音には倍音、いわゆる振動モードがあります。バイオリンの弦とギターの弦を区別するのは、基本音に対するこれらの異なる倍音の混ざり方です。ここでも同じことが当てはまります。私たちのナノデバイスでは、それぞれで同時に励起できるさまざまな音があり、多くの異なる音をリアルタイムで追跡します。分子が異なる向きで着地すると、倍音の変化の仕方も異なることが分かりました。そこで、私たちが開発した慣性イメージング理論を使い、分子の形状を空間内の画像として再構成できます。」
「この新技術は、機械式センサーにこれまで認識されていなかった能力があることを明らかにします」と述べるのは、トルコのアンカラにあるビルケント大学のMehmet Selim Hanay教授です。同氏はRoukes研究室の元博士研究員で、論文の共同筆頭著者です。「これまで私たちは、抗体IgMなどの分子を、分子量だけを基に特定してきました。今回の技術は、同じ分子について分子量と形状の両方の情報を同時に推定できるようにするため、特定の過程を大幅に改善できます。これは基礎研究と製薬産業の双方にとって重要です。」
現在、分子構造の解明にはX線結晶構造解析が用いられています。これは、分子を分離・精製して結晶化させ、結晶を構成する原子とX線が相互作用した際に生じる回折パターンに基づいて形状を評価する、手間のかかることが多い技術です。しかし、多くの複雑な生体分子は結晶化が難しく、不可能な場合さえあります。また、結晶化できたとしても、得られる分子構造は結晶状態にある分子を表すもので、生物学的に活性な形態の分子構造とは大きく異なることがあります。
「何を探しているのか正確には分からず、発見を目指して調べている状況を想像できるでしょう。たとえば、特定の病原体に対する体の免疫反応を解明しようとしている場合です」とRoukes氏は言います。こうした場合、単一分子を検出し、その個々の分子についてできるだけ多くの独立した情報を得る能力によって、唯一のものとして特定できる可能性が大きく高まります。
「がんはしばしば、単一の異常細胞から始まると言います。つまり、似た細胞が多数ある中の一つであっても、その細胞の分子組成には何か固有のものがあるということです。この技術によって、その細胞固有の特徴を解明する新たなツールを得られる可能性があります」と同氏は付け加えます。
これまでのところ、新技術はポリマーナノ液滴など、サイズと形状が既知の粒子を使って検証されています。Roukes氏らは、現在の最先端ナノデバイスを用いることで、この手法が分子スケールの分解能を提供できること、すなわち損なわれていない個々のタンパク質集合体を構成する分子サブコンポーネントを見分けられることを示しています。現在、研究グループはこうした探究に取り組んでいます。
Roukes研究室の元大学院生Scott Kelber氏も、論文の共同筆頭著者です。論文の題名は 「ナノ電気機械システムによる慣性イメージング」 です。オーストラリアのメルボルン大学教授で、カリフォルニア工科大学（Caltech）の物理学客員准教授でもあるJohn Sader氏が共同責任著者です。その他の共著者は、メルボルン大学のCathal D. O’Connell氏とPaul Mulvaney氏です。本研究は、米国国立衛生研究所（NIH）所長パイオニア賞、カリフォルニア工科大学（Caltech）カブリ・ナノサイエンス研究所特別客員教授職、パリのFondation pour la Recherche et l’Enseignement Superieur、およびオーストラリア研究会議の助成制度から資金提供を受けました。
この記事は カリフォルニア工科大学（Caltech）との共同で公開されています。公開は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：Kathy Svitil氏は、カリフォルニア工科大学（Caltech）の寄稿ライターです。
画像：大学院生のKatie Bates氏が、UCL薬学部のナノ医療研究室でげっ歯類のパーキンソン病脳組織切片を調べている。REUTERS/Suzanne Plunkett。
