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自然に学ぶ研究事例

第38回モータータンパク質に学ぶ分子機械
医療技術
生体機能
分子をつかんで変身させる分子ペンチ
生物の体をつくり、命を守り育てるために働く、さまざまなタンパク質たち。 “運搬”という役割を担い微小管の上を移動する、モータータンパク質に学ぶ、分子機械の設計とは?
微小管
微小管

細胞内に放射状に広がる微小管は、キネシンなどのモータータンパク質が動くレールであり、細胞の成長や分裂に関与する細胞骨格である。写真は、ラットカンガルーの腎臓由来の細胞(PtK2)を落射蛍光顕微鏡で撮影したもの。緑色が微小管、青色は核、赤色はアクチン繊維。
撮影協力:オリンパステクノラボ東京

私たちの体の中では、タンパク質の合成、情報の伝達、物質の運搬など、生命を維持するためにさまざまな仕事が行われています。これらを司っているのは、分子機械と呼ばれるタンパク質で、その1つに運搬を担当する“キネシン”というモータータンパク質があります。

 

キネシンは、生物のエネルギー源であるATP(アデノ三リン酸)を受け取ると、それを分解し、車のエンジンのように、発生した化学エネルギーを力学エネルギーに変換します。それによって、細胞内に放射状に張り巡らされた“微小管”というレールの上を、2本足でトコトコと歩いて物質を運ぶのです。

 

このような生体内で分子が動く仕組みを、人工的に再現しようという研究は、さまざまに行われてきました。しかし、光をあてると分子が回転するといった、単純な動きの再現にとどまっていたのです。ところが最近になって、複雑な動きをする画期的な分子機械が開発され話題を呼んでいます。それは、分子をつかまえて、ひねる「光駆動分子ペンチ」です。

 

この分子ペンチは、光によって伸縮運動をする物質と、軸回転運動を行う物質をハサミのような形に設計したもので、刃先には窒素を含む分子とくっつきやすい亜鉛ポルフィリンという物質が使われています。紫外光をあてると柄の間隔が狭まって洗濯ばさみのように刃先が開き、可視光をあてれば元に戻ります。その繰り返し運動により、つかまえた分子を“ねじる”という仕事を形にしたのです。タンパク質分子の場合は、ねじることで構造が変化し、新たな活性の発現につながるかもしれません。それは、新しいタンパク質製剤を生み出す可能性を意味しています。

 

たとえば、自動車は、いくつかの装置の組み合わせによって、直線的なピストン運動を回転運動に変えて動きます。複数の単純な機能をもつ部品を組み合わせ、システマチックに動けない分子を動かすという、従来にない発想によって生まれた分子ペンチは、分子機械の設計に、新しい道を開いたと言われています。そして、いつの日か、体の中を移動して薬を運ぶような分子ロボットが実現すると、期待されているのです。

金原 数 准教授

東京大学 工学系研究科

生物が起こす現象を人工の世界で実現する
有機合成化学の世界から見ると、タンパク質が機械的に動くことで“機能”が生まれるということは、驚異的なことです。その仕組み、天然で起きている現象を、できれば簡単な化合物を使って人工の世界で再現したいという思いで研究を進めています。 触媒の発達、物質を分離・精製する機器の発達などにより、さまざまな有機合成が可能になりました。使える部品には、まだまだ限りがありますが、工夫次第で、いろいろな分子機械がつくれるでしょう。たとえば、虫のように光をあてると集まる分子や、電気的なエネルギーを使わずに、化学エネルギーで動く分子機械を実現したいと考えています。分子ペンチの研究は、キネシンのように2本足で歩かせることを目標に始めたものです。非常に難しいことですが、歩いてデリバリーをするような分子ロボットを実現させたいですね。

トピックス
分子機械(分子マシン)は、ナノマシンとも言われ、ボトムアップ式(積み上げ型)のナノテクノロジーを象徴する技術として注目され、さまざまな分野での実用化が期待されています。 たとえば、リング状の分子に棒状の分子を通し、その両端にストッパーをつけてはずれないようにしたロタキサンと呼ばれる超分子があります。棒状分子にpH濃度によってプラスとマイナスが切り替わる物質を使うと、リングを左右に動かすことができ、これは“分子シャトル”と名づけられています。この往復運動を計算に応用して、分子コンピュータをつくろうという研究も行われているそうです。 このほか、ロタキサンの構造と制御方法に工夫を凝らすことで、リングが上下に動く“分子エレベーター”、分子全体が伸び縮みする“分子筋肉”などもつくられています。また、分子モーターでは、回転方向を制御する技術も開発されており、こうしたさまざまな装置技術が高度化することで、複雑な仕事をこなす夢のナノマシーンが実現することでしょう。
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