光でナトリウムイオンを輸送するタンパク質の謎を解明

July, 29, 2015, 名古屋--名古屋工業大学 大学院未来材料創成工学専攻 ナノ・ライフ変換科学分野およびオプトバイオテクノロジーセンター、神取秀樹教授、井上圭一助教らのグループは、光のエネルギーを使ってナトリウムイオン（Na＋）を細胞から汲み出す新しいタンパク質（ナトリウムポンプ型ロドプシン：NaR）について、謎とされていたNa＋の輸送メカニズムの全体像を明らかにした。
今回の発見をもとにタンパク質のNa＋輸送を制御できれば、脳神経研究などの応用が可能になり、様々な脳神経疾患へ治療法の開発に寄与すると期待される。また神取教授らはこれらの知見をもとにNa＋以外のイオンを輸送することにも成功しており、将来的には光のエネルギーを使って神経細胞からリチウムイオン（Li＋）を輸送する新しいうつ病の治療法の開発や、環境中のセシウムイオン（Cs＋）などを除去する技術にもつながる可能性がある。

ナトリウムポンプ型ロドプシンのNa＋輸送メカニズム
NaＲのNa＋輸送メカニズムを調べるため、研究チームは必要なNaＲ試料の作製に取り組んだ。大腸菌を用いて、海洋性の細菌の持つものと全く同じNaＲを作り出すことに着手。そのためにまず海洋性細菌の持つDNAの一部を大腸菌の細胞内に組み込んだ。DNAが導入された大腸菌はその情報をもとにNaＲを細胞内に作り出すことができるようになる。研究チームは大腸菌を用いて大量のNaＲタンパク質を人工的に作り出すことに成功した。
研究では、２億分の１秒というNaRがNa＋を輸送するよりも圧倒的に速い時間でレチナールの異性化を引き起こし、分子の光反応を開始させることができる「超短パルスレーザ」とタンパク質の色の変化を超高速で観察できる「高速カメラシステム」を用いて、Na＋の輸送過程においてNaRにどのような変化が起こるのかを調べた。
研究チームは、NaRにレーザ光を照射し、Na＋の輸送過程の観察し、まず光を吸収すると共にタンパク質内部のレチナールの構造が変化することが分かった。その後40万分の１秒の間に、Na＋の通過を邪魔していたレチナール上のH＋がNaＲ上のアスパラギン酸へと移動し、さらにアスパラギン酸の向きが変化することで完全にNa＋の通過する経路からＨ＋が取り除かれることが明らかになりました。
それに引き続き、1000 分の1秒の時間で、Na＋が細胞の内側から、タンパク質内部に侵入する様子が観察された。この時Na＋が容易にタンパク質内部に入り込むことができるよう、もう１つの特徴的なアミノ酸であるアスパラギンがNa＋を強くひきつける。Na＋がアスパラギンに結合すると、H＋が結合したアスパラギン酸が再び元の位置に戻り、Na＋の通ってきた経路をふさぐことが明らかになった。これによりNa＋は元来た経路を戻って細胞の内側に戻ることができなくなり、最終的に細胞の外側に出て行くことになる。このようにしてNaRは光のエネルギーを使って、レチナールの構造を変え、さらに自身の持つ2つのアミノ酸を巧みに使うことでNa＋の輸送を行っているという全体像が初めて明らかになった。