Arginine tuning of coiled-coil peptides yields single-domain nanocrystals

材料科学の世界には、根強い課題が存在する。それは、柔らかく、もろい物質を、いかにして完璧な三次元結晶へと配列させるかという問題である。自然界は、この問題を日々、何の苦もなく解決している。生き物の細胞内では、タンパク質がその構造を構成する特定の化学的な「文字」の配列によって、極めて精密に折り畳まれ、積み重なり、複雑な足場や機械を形成している。科学者たちは長年、この能力を実験室で模倣しようと試みてきた。アミノ酸の短い鎖であるペプチドを設計し、それが自己組織化するように仕向けてきたのである。研究者たちは、これらの分子を繊維、管、あるいはシート状に誘導することには成功してきたが、それらを硬く、繰り返しのパターンを持つ結晶格子へと固定させることは、非常に困難なままであった。分子は、鉱物や生物組織に見られるような秩序ある単一ドメインの結晶になるのではなく、乱雑で無秩序な塊となって集まってしまう傾向があるのだ。このレベルの制御を実現することは極めて重要である。なぜなら、それが実現すれば、科学者が自然界に見られるような構造的精密さをもって、ソフトマテリアル（軟質材料）をプログラムできるようになり、新しいタイプの医療機器や応答性材料への扉を開くことになるからである。

研究チームは、化学的な構成を極めて小さく、かつ特定の方法で変更することにより、これらのペプチド鎖を単一ドメインのナノ結晶へと導く方法を見出した。彼らは、コイルドコイル構造（二本ののアミノ酸の鎖がロープのように互いにねじれ合った構造）を形成するように設計されたペプチドから実験を開始した。このロープのような構造は、本質的に他の束と集まりたがる性質を持っているが、通常は長く、絡まり合った繊維を形成してしまう。研究者たちは、これらの束の表面が、互いに引き合ったり反発したりする化学基で覆われていることに気づいた。彼らの設計では、標準的な構成要素の一部を、アルギニンと呼ばれる異なるものに置き換えた。この分子は独特の形状を持っており、隣接する分子と強く、かつ特異的な結合を形成することができ、いわば「分子の接着剤」として機能する。しかし、チームは単にこの「接着剤」を増やせばより上手くいくわけではないことを発見した。そこには「スイートスポット（最適値）」が存在するのである。アルギニンが含まれていなければ、分子は無秩序な凝集塊となってしまう。逆に多すぎると、強い引力によって、分子が整列する前に「詰まって」しまう。しかし、ちょうど適切な量、具体的には46個のアミノ酸の連鎖の中に3個または6個のアルギニンが存在する場合、ペプチドは自発的に、数百ナノメートルに及ぶ滑らかな楕円体状の結晶へと配列されるのである。

研究者たちは、このプロセスが一回限りの突然のステップで起こるのではないことを観察した。代わりに、分子はまず高密度で凝縮した液体のような状態を経由するという経路を辿る。この混み合った環境の中で、微小で短い繊維が形成され始め、そしてまるで兵士が隊列を見つけるかのように、ゆっくりと整列していく。これらの繊維が適切に並んだ後、それらは融合して、固体の秩序ある結晶となる。チームは、凍結した試料の内部を見ることができる高度なイメージング技術を用いて、この変容がリアルタイムで起こる様子を観察した。彼らは、3個のアルギニンを持つバージョンが数分以内に結晶化するという非常に速いプロセスを観察した一方で、6個のアルギニンを持つバージョンは、繊維がより大きく、より完璧な形状へと再配列するための時間をより長く要することを観察した。しかし、どちらのバージョンも最終的には同じ内部構造を持つに至った。これは、アルギニンの含有量が、構成要素の最終的な形状を変えるのではなく、結晶形成の速度とサイズを制御していることを裏付けている。

この発見が特に重要である理由は、タンパク質結晶学の原理が、単純な合成設計にも適用できることを証明した点にある。長年、科学者たちは、天然タンパク質の特定の柔軟な部分をアルギニンに置き換えることが、結晶形成を助けることが多いことを知っていたが、複雑な形に折り畳まれない短い人工ペプチドにもそのルールが適用されるかどうかは不明であった。本研究は、それが適用可能であることを示している。アルギニン分子の密度を注意深く調整することで、研究者たちは、無秩序な軟質分子の混合物を、高度に秩序化された単一結晶材料へと変える予測可能な方法を作り出した。得られたナノ結晶は均一であり、つまり、小さな結晶が継ぎ接ぎされたパッチワークではなく、一つの連続した結晶片としてできている。このレベルの構造的完全性はソフトマテリアルにおいては稀であり、これらのペプチド束の内部構造が、分子スケールから目に見えるスケールに至るまで、組み立てプロセスを導く足場として機能していることを示唆している。

チームはまた、作成された結晶が特定の、繰り返される内部幾何学構造を持っていることも発見した。ねじれたロープ状の束は、各ストランド間の一定の距離を保ちながら、ネア・ヘキサゴナル（準六角形）格子に似たパターンで密集している。この規則性は、結晶を通過する電子の散乱を分析する手法によって確認された。この手法は、原子内部の精密な間隔を明らかにするものである。速い形成と遅い形成の両方の結晶が、この同じ内部間隔を共有しているという事実は、アルギニン分子が単に構造を保持しているだけでなく、組み立てプロセス全体を指揮していることを示している。研究者たちは、アルギニン基が、分子が動いて正しい位置を見つけるのを妨げるほど強くはなく、かつ方向性のある引力を提供することで、繊維を整列へと引き寄せているのだと考えている。このバランスにより、システムは最も安定した秩序ある状態を見つけるまで、さまざまな配置を探索することができるのである。

この研究は、ソフトマテリアルを設計するための新しい設計図を提示している。分子に秩序を強制するために、金属イオンや緩やかな加熱といった外部からのトリガーに頼る代わりに、科学者は今や、ペプチドの配列自体に結晶化のための指示を直接書き込むことができる。アルギニン残基の数を調整することで、材料が結晶を形成するかどうか、形成速度はどの程度か、そして結晶がどの程度の大きさになるかを制御することが可能となる。このアプローチは、化学的なコードが最終的な物理的形態を決定するという、分子レベルでの物質のプログラミングという目標に対し、この分野をさらに近づけるものである。本研究は特定のタイプのペプチドに焦点を当てたものであるが、特定の化学基の密度が、無秩序から秩序への転移を調整できるという根本的な原理は、他のソフトマテリアルにも応用できる可能性がある。今回の知見は、適切な配列さえあれば、単純な構成要素であっても、複雑で機能的な構造へと自己組織化できることを示唆しており、混沌とした液体の世界と精密な結晶の秩序との間の架け橋となっている。