Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

X線 / 動力学理論 / 多波回折 / 偏光 / 位相問題 / 計算機シミュレーション / 高木-トウパンの式 / 屈折イメージング / X線動力学的回折理論 / X線結晶構造解析 / シンクロトロン放射光

高木-トウパンの式(T-T理論)は,1962年に高木によって導出されて以来,結晶の格子歪みに対応する理論として,広く認知されてきた。X線動力学的回折理論は,1931年にラウエによって完成されたエバルト-ラウエ理論(E-L理論)が主流の理論とされ,T-T理論は,特殊理論として取り扱われている。X線動力学的回折理論の最新の教科書は,2003年にオーティエによって書かれたものである。この著書は,X線動力学理論に関する90年にわたる研究を,ほぼ網羅的に紹介しているが,やはりE-L理論が主流の理論であるとし,T-T理論に関しては,球面波入射に対応する理論としての側面を重視した記述をしている。しかしながら,まず,E-L理論とT-T理論を比較した場合,X線の結晶中での振る舞いを,前者が逆空間で記述するのに対して,後者が実空間で記述するという違いがあるだけで,両者は等価である。1960年代後半E-L理論が3波ケースに拡張され,その後3以上の多波ケースでも数値解法が与えられたのに対して,T-T理論は,筆者が2003年にその数値解法を発表するまで,40年以上にわたって,解が得られないとされてきた。両者が等価であることが認識されていれば,このようなことにはならなかった筈である。
また,T-T理論は,平面波および球面波入射条件のみならず,任意のX線入射条件で解を得ることができる。最近,安藤らは,コリメートしたX線を被写体に照射し,背後に置いたシリコン結晶のアナライザーにより透過または反射されたX線を撮影する,屈折コントラストイメージングの研究を行っている。通常の被写体の吸収率のみによる撮影では全く濃淡が生じないケースでも,アナライザー結晶により鮮明なコントラストを得ることができる。平成19年度,筆者は,T-T理論による屈折イメージング法の計算機シミュレーションに重点を置いた研究を行った。シミュレーション結果は,実際の屈折画像を良く再現し,このシミュレーションにより,アナライザー結晶に求められる条件を見積もることが可能となった。さらに,被写体を回転させてX線屈折CTおよびX線屈折トモシンセスの再構成画像をも,事前に予測可能となった。このシミュレーションは,任意のX線入射条件に対応するというT-T理論の特長を,利用することにより行われた。

微小結晶 / 蛋白質 / X線結晶構造解析 / イメージングプレート / シンクロトロン放射光 / 異常分散法 / 免疫グロブリン / 抗体 / X線結晶構造解析法 / 蛋白質結晶学 / 回折強度測定法 / イメ-ジングプレ-ト / 多波長異常分散法

微小蛋白質結晶のX線構造解析法の開発を目的とし、輝尽性蛍光体イメージングプレートを採用した高感度で高精度のX線カメラ露光リアルタイム検出装置を試作し、X線異常分散効果を利用して構造解析の処理を行うための計算機プログラムシステムを開発した。これらを用い、シンクロトロン放射光による異常分散効果を最適化した回折データを微小蛋白質結晶について測定し、抗体など3種の蛋白質の結晶構造を解析した。
ダンシルリジンに結合するマウス抗体のFvフラグメントについて、多波長異常分散法用の回折データ処理と異常分散項の算出処理のプログラムを用いて解析を進めた。その結果、異常分散パターソン合成による相補性決定部位のメチオニンに結合した白金のサイトを得ることができた。その後、分子置換法とモデル精密化法を併用してこのFvフラグメントの結晶構造を1.6A分解能という抗体では最も高い精度で解析を完了することができた。白色X線による異常分散効果の測定系と処理系も新たに開発し、ラウエ回折法に基づく今後の時分割実験による動的構造研究でも適用可能となった。
マウス抗ニトロフェノール(NP)抗体3B44のFavフラグメンの微小結晶について、開発した検出装置を用いることにより3A分解能の回折データを得ることができた。このものの臭素化NPとの複合体の多波長データでは臭素化NPの結合が十分でなかったため分子置換法を適用し、3A分解能で構造解析に成功した。また、抗体NIG9のFabでも結晶が微小で従来法では回折データが得られなかったが、開発した測定処理系によって2.5A分解能の良好なデータを得た。さらに、リボヌクレアーゼU_2も1.8A分解能での解析を完了した。このものの異常分散差フーリエ合成ではイオウ原子のみを明瞭に電子密度として見いだすことができた。

蛋白質結晶学 / 多波長異常分散法 / X線結晶構造解析 / X線回折強度測定法 / 免疫グロブリン / Fvフラグメント / シンクロトロン放射光 / 異常分散効果 / アミラ-セ阻害剤 / ダンシルリジン

波長可変で高強度のシンクロトロン放射光X線を活用する多波長異常分散法による蛋白質の直接かつ迅速な結晶構造解析システムの確立を目的とした本研究では、まず、高エネルギ-物理学研究所放射光実験施設の波長可変のX線分光装置と水平型四軸X線回折装置からなる測定系を改良した。研究で開発した検出器のデッドタイムの補正法や光学系のアライメント法を組み込んだこの測定系は、四軸回折計法と振動結晶写真法のいずれによる測定でも、任意の波長で極めて高い精度のX線回折強度デ-タを与え、公開共同利用に供されている。また、特性X線源の四軸ゴニオメ-タ測定装置に可搬式の結晶送風冷却装置を組み込んだ精密な強度デ-タ測定系を構築した。一方、多波長の波長可変デ-タを処理して位相決点を行う方法と計算機プログラムを開発し、構造精密化と位相拡大のプログラムと三次元コンピュ-タグラフィクスのプログラムを組み込み、多波長異常分散法の解析プログラムシステムを確立した。
本研究では、マウス抗ダンシルリジン免疫グロブリンIgG2aのFvフラグメントのネ-ティブ構造を決定し、抗原結合部位等の構造知見を得た。このダンシルリジンとの複合体結晶についても1.5Å分解能までの強度デ-タを得て解析を進めている。鉄と銅を導入したアミラ-ゼインヒビタ-結晶などについても異常分散原子の位置を決定して電子密度図を得ることができた。測定系と解析プログラムシステムの開発と評価では、酵素活性を有する鉄錯体の高スピンと低スピンの両状態の結晶構造と、アスパルテ-ム結晶の高水和型と低水和型の双方の結晶構造を解析することができた。本研究で確立し、公開している放射光利用の測定系と解析処理プログラムは、蛋白質をはじめとする広範な結晶構造研究への適用が可能となっている。

【研究分担者】
今井康彦	利用促進部門	研究員	(Kakenデータベース)
依田芳卓	利用促進部門	副主幹研究員	(Kakenデータベース)
上エ地義徳	東京大学	大学院新領域創成科学研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
野口修治	東京大学	薬学部	助手	(Kakenデータベース)
中迫雅由	東京大学	薬学部	助手	(Kakenデータベース)
雨宮慶幸	高エネルギー物理学研究所	放射光実験施設	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
中迫雅由	東京大学	薬学部	助手	(Kakenデータベース)