触媒機能をもつタンパク質は「酵素」と総称されます。大抵は分子量1万を超える大きなものです。

しかしその活性部位は、全体に比してさほど大きな割合を占めていません。ここまで巨大なものじゃ無くとも、明確な構造のペプチドであれば、触媒の土台として使えるんじゃ無かろうか・・・？

そういう発想から生まれたペプチド性触媒が、2014年のNature Chemistry誌に報告されました。その名も「アミロイド線維触媒」です[1]。今回はこれを取りあげて見たいと思います。

アミロイドって何？

アミロイド（amyloid）とは、クロスβシート構造をもつ線維を形成し、不溶性となるペプチド（タンパク質）の総称です。小さな分子サイズでありながら比較的明確な構造をとれるという、他のタンパクには無い特性を持っています。

アミロイドは様々な難治性疾患（アミロイドーシス）に関連があるとされています。たとえばアルツハイマー病は、アミロイドβタンパクが凝集することで引き起こされるのでは？との仮説が古くから提唱されています。

アミロイドβ(1-40)のクロスβシート構造モデル（論文[2]より）

すぐさま不溶性の線維となってしまうためとにかく扱いづらく、生化学的性質を調べるだけでもしばしば難航します。病原ペプチドでもあるため、研究者からは困ったちゃん扱いされがちな分子でもあります。

困りものを役立つものに

今回の研究のポイントは、アミロイド線維を形成しうるペプチド（なんとわずか７残基！）が自己集積によって触媒機能を発現できることを、初めて示したことにあります。

疎水性アミノ酸と親水性アミノ酸が交互に並ぶアミロイドペプチドLKLKLKL[3]を参考に、著者らはリジンをヒスチジンに変えた配列、Ac-LHLHLHL-CONH₂を用意しました。

これに亜鉛(ZnCl₂)を混ぜてやります。するとアミロイド線維のヒスチジン側鎖が配位子として亜鉛を担持します。ヒスチジン側鎖は単座配位なので、普通の短鎖ペプチドでは金属が上手く担持されません。しかし一旦アミロイド線維を形成すれば、ペプチド同士・ヒスチジン側鎖同士が近接し、亜鉛を多座で担持出来るようになります。またこのキレート結合によって、土台となる線維構造も安定化されます。CD解析・蛍光アッセイを行ってみると、βシートに富む凝集体を形成すること、つまりアミロイド性を有することが確認されました。

こうして出来た金属-アミロイド錯体を使って、著者らは触媒応用を試みています。亜鉛の複核ルイス酸触媒として働くだろうとの発想です。果たして、4-ニトロフェニル酢酸エステルの加水分解反応に対する触媒能を持つことが示されました。

著者らはその後、アミノ酸配列を種々変えたペプチドを用意し、構造-触媒活性相関を行っています。最終的に最も活性の高いペプチド配列、Ac-IHIHIQI-CONH₂を見いだすことに成功しました。

亜鉛キレート型アミロイド触媒の模式図（論文[1]より引用・改変）

反応速度解析を行うと、このアミロイド触媒は酵素のように振る舞うこと、すなわち飽和特性や活性のpH依存性などがあることが示されました。

既に述べたとおり、タンパク質が触媒能を発揮するには、長鎖ペプチドが適切に降りたたまれてできる巨大な3次構造が必要と考えられてきました。しかし本報告のように「短いペプチドが寄せ集まることで規則構造を形成し、触媒能が発揮される」という事実は興味深い知見といえます。

この事実をして著者らは、「アミロイド線維は進化の過程で、酵素に至るまでの中間形としての役割があったのかもしれない」と触れています。こちらも興味深い着眼だと思います。

「アミロイド触媒」の可能性

ペプチドは固相法で迅速合成できる分子であるため、無限の構造展開が可能です。今回はごくごく簡単な反応への応用しか示されていませんが、金属との組み合わせ次第では、別種の触媒反応へも展開可能かも知れません。

またそもそもがペプチドなので、生体適合性の高い触媒の創製につながりうる考え方だとも思えます。アミロイドにつきものの毒性をどうにか抑えることができれば、低分子触媒〜酵素の中間を埋める「第三の触媒」としての活路を見出せるやもしれません。

触媒構造が激しい条件下でも安定かどうか、触媒活性をどこまで上げられるのか、化学選択性が出せる触媒になるのか・・・ということは未だ気になりますが、今後の研究を待つ必要があるでしょう。

取り扱いが難しいとされる「アミロイド」ですが、これ以外にも、ナノ材料やバイオテクノロジーなどへの応用先も模索されつつあるようです[4]。今後どういう発展を見せていくか、要注目の方向ですね。

関連論文

1.  (a) “Short peptides self-assemble to produce catalytic amyloids” Rufo, C. M.; Moroz, Y. S.; Moroz, O. V.; Stöhr, J.;Smith,T. A.; Hu,X.; DeGrado, W. F.; Korendovych, I. V. Nat. Chem. 2014, 6, 303. doi:10.1038/nchem.1894 (b) “Protein chemistry: Catalytic amyloid fibrils” Aumüller, T.; Fändrich, M. Nat. Chem. 2014, 6, 273. doi:10.1038/nchem.1904
2. “A structural model for Alzheimer’s β-amyloid fibrils based on experimental constraints from solid state NMR” Robert Tycko et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 16742. doi:10.1073/pnas.262663499
3. (a) “Induction of peptide conformation at apolar/water interfaces: a study with model peptides of defined hydrophobic periodicity.” DeGrado, W. F. ; Lear, J. D. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 7684. DOI: 10.1021/ja00311a076 (b) “Protein design, a minimalist approach.” DeGrado, W. F.; Wasserman, Z. R.; Lear, J. D. Science 1989, 243, 622. DOI:10.1126/science.2464850
4.  (a) “Nanomechanics of functional and pathological amyloid materials” Knowles, T. P. J.; Buehler, M. J. Nature Nanotech. 2011, 6, 469. doi:10.1038/nnano.2011.102 (b) “Amyloids: Not Only Pathological Agents but Also Ordered Nanomaterials” Cherny, I.; Gazit, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4062. DOI: 10.1002/anie.200703133

関連書籍

外部リンク

• Korendvych Lab
• Alzheimer’s molecules may have powered early life (New Scientist)
• Short peptides self-assemble into a catalyst (Chemistry World)