Sub-100 ns transition paths in unmodified single protein measurements
本論文は、ナノ秒から数時間にわたる広範な時間領域にわたって修飾されていない単一タンパク質を観察するための温度ジャンプ・ナノ開口光ピンセット（TJ-NOTs）を導入し、ウシ血清アルブミンの100ナノ秒未満の超高速遷移を明らかにし、分子動力学シミュレーションと生物学的に関連のあるタイムスケールの間の溝を埋めるものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
タンパク質は生命の働き手であり、血液中で酸素を運んだり遺伝的指示をコピーしたりといった任務を遂行するために、精密な形へと自らを折り畳む、微小な分子機械です。これらの機械が機能するためには、特定の構造を維持しなければなりませんが、それらは静止した彫像ではなく、絶えず揺れ動き、呼吸し、時には形を完全に変えることもあります。科学者たちは、こうした変化が極めて広い時間軸で起こり得ることを古くから知っていました。ある変化は数秒や数分かかるほど緩やかですが、他の変化は非常に速く、現在の技術では捉えることはほぼ不可能だと考えられてきました。課題は、タンパク質に触れることなく、動きを変えてしまう可能性のある蛍光タグを貼り付けることもなく、形が入れ替わる瞬間の刹那的な瞬間を見逃すことなく、単一のタンパク質分子を観察できるツールを構築することでした。もし研究者が、これらの急速な遷移を観察することができれば、コンピュータモデルによって予測される超高速の動きと、現実世界で観察される生物学的に意味のある緩やかな変化とを、ついに結びつけることができるはずでした。
研究チームは、これらの事象をリアルタイムで観察し、100ナノ秒未満で起こるタンパク質の動きを捉える手法を新たに構築しました。「温度ジャンプ・ナノアパーチャ・オプティカル・ツイーザ（温度跳躍ナノ開口光ピンセット）」と呼ばれる技術を用い、金属膜の小さな穴の中に修飾されていない単一のタンパク質分子を捕捉し、レーザーで加熱して変化を誘発しました。このセットアップにより、数分間続く変化の間の緩やかな休止状態から、1マイクロ秒の数分の一という極めて短い遷移に至るまで、タンパク質の動きの全生涯を観察することが可能になりました。研究では、牛の血液に含まれる牛血清アルブミンと、卵白に含まれるコンアルブミンという2つの特定のタンパク質に焦点を当てました。これらの分子を段階的に加熱することで、チームはそれらが解け（アンフォールディング）、再び畳まれ（リフォールディング）、劇的な構造変化を起こす様子を観察し、これまで直接的な観察では見ることができなかった「速度の隠れた世界」を明らかにしました。
研究者がこの手法を牛血清アルブミンに適用した際、彼らは驚くほど速い現象を目撃しました。温度がある特定の範囲まで上昇すると、タンパク質は突如として不可逆的な変容を遂げました。捕捉された分子からの信号は、わずか44ナノ秒で起こる鋭いステップ状の変化を示し、平均して、これらの高速な遷移は100ナノ秒未満で発生しました。この速度を例えるなら、タンパク質が折り畳まれる速度の既知の「速度限界」よりも桁違いに速いものです。チームは、この急速な変化が、アルファヘリックスと呼ばれる螺旋構造から、ベータシートと呼ばれる平らなシート状の構造への転換であることを確認しました。この特定の種類の変化は、神経変性疾患における凝集体の形成といった深刻な生物学的問題に関連していますが、同時に血栓形成のような正常なプロセスにも不可欠です。研究者は、尿素（タンパク質を解ける性質を持つことで知られる化学物質）を加えることで、これが単なるランダムな揺らぎではなく、真の構造変化であることを検証しました。尿素が存在すると、この速く鋭い遷移は消失し、より遅く乱れた展開プロセスに取って代わられたため、元の高速なイベントがタンパク質の形の特定の組織化された変化であったことが証明されました。
一方通行の道であった牛血清アルブミンとは対照的に、チームはコンアルブミンが展開と再折り畳みの可逆的なダンスを行う様子を観察しました。加熱されると、このタンパク質は約1.8ミリ秒で解けましたが、これは依然として非常に高速であり、標準的な装置でも測定可能な速度です。一度解けると、分子は直ちに元に戻るのではなく、開いた無秩序な状態で長く留まり、再び折り畳まれるまでの待機時間は中央値で68秒に及びました。ようやく再折り畳みが始まると、そのプロセスには17ミリ秒を要しました。単一の分子が1分以上も休止し、その後パッと形を取り戻す様子を観察できたことは、タンパク質のエネルギー地形の完全な姿を描き出し、分子が休息する深い谷と、形を変えるために越えなければならない険しい丘の両方を示しました。研究者たちはまた、再折り畳み能力で知られる別のタンパク質であるリボヌクレアーゼAについてもテストを行い、大規模な分子集団で見られるものと一致する、3秒間の緩やかな遷移を観察しました。
この新しいアプローチの力は、科学における2つの異なる世界の間にある溝を埋める能力にあります。長年、コンピュータシミュレーションはタンパク質が100ナノ秒未満でこのような超高速の遷移を行うことを予測してきましたが、実験ツールはそれらを見るには遅すぎ、高速な信号をしばしばノイズとしてフィルタリングしてしまっていました。同時に、他の実験は、何百万もの分子の平均的な挙動しか見ることができず、個々の分子が持つ独自の物語を見落としてきました。この新手法は、ナノ秒単位の構造変化の瞬きから、安定した状態でタンパク質が休息する1時間の待ち時間に至るまで、全範囲の動きを捉え、かつタンパク質にラベルやテザーを付けて変質させることもありません。これらの100ナノ秒未満の遷移が現実的かつ測定可能であることを証明することで、この研究はコンピュータモデルを洗練させ、タンパク質がいかに複雑なエネルギー地形をナビゲートしているかを理解するための強固な基礎を提供します。これらの知見は、異なる形状間の急速で組織化されたシフトが、単なる理論上の可能性ではなく、タンパク質が体内で機能し、時には誤作動する際の根本的な部分であることを示唆しています。
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