[スポンサーリンク]

一般的な話題

タンパクの「進化分子工学」とは

[スポンサーリンク]

2018年のノーベル化学賞は、「タンパクの分子進化」という分野の発展に重要な貢献をしたFrances H. Arnold教授George P. Smith教授Gregory P. Winter教授の3氏に与えられました(【速報】2018年ノーベル化学賞は「進化分子工学研究への貢献」に!)。今回の記事では、タンパクの分子進化とは何かについて解説します。

1. 分子進化とは

タンパクは、生体高分子の一種で、図1 (a)のようにたくさんのアミノ酸がつながった構造をしています。このようにアミノ酸がつながってできた鎖(ポリペプチド鎖)が、水素結合や疎水性相互作用、ジスルフィド結合などによって折りたたみ、機能的な構造を取るようになります。タンパクの機能は、それぞれのアミノ酸の種類やつながる順番(アミノ酸配列)、折りたたんだ後の化学修飾(翻訳後修飾)、他の分子との相互作用(アロステリック効果)など、様々な条件によって変化します。有機化学の分野で広く扱われている低分子化合物や合成高分子と比べると、構造や機能がとても複雑です。

図1. タンパクの基本構造と折りたたみ。(b) タンパクの全体構造・活性部位の構造。ヘム(橙)と基質(ピンク)。(PDB: 2WHW)

タンパクの機能を改良するとき、あるアミノ酸を別のアミノ酸に変える(対応するDNAに変異を加えて別のアミノ酸に変える)というのが一般的です。しかし、天然のアミノ酸は20種類もあり、タンパクは多くの場合、数百個ものアミノ酸がつながってできているので、どのアミノ酸を置換すれば良いのか・どの種類のアミノ酸に変えれば良いのか、予想するのはとても困難です。タンパクの結晶構造や、基質との結合実験などの情報をもとに、「この部分のアミノ酸をもう少し小さい側鎖のものに変えれば基質が結合しやすくなる」といった予想を立てるのは可能ですが、例えば図1bの構造を見ても、基質(ピンク)の周りにたくさんのアミノ酸側鎖があり、どこをどう変えればいいのか簡単には分かりません。また、タンパク分子内では様々な相互作用が働いているため、一つアミノ酸を置換しただけで全体の構造が大きく変わってしまう可能性もあります。

そこで発案された方法が、今回のノーベル化学賞の対象となった「分子進化法」です。この手法では、様々な部位のアミノ酸を別の種類のアミノ酸に変えた変異体を大量に作り(ライブラリ)、作った中から良い機能を持つものをスクリーニングします(図2)。タンパクに変異を加える→目的の機能に合わせてスクリーニングを行う→得られたタンパクにまた変異を加える→スクリーニング→…という流れを繰り返せば、次第にタンパクの機能が向上され、良い機能を持ったタンパクを得ることができます。この流れが、自然界での進化の過程によく似ているので、「分子進化法」と呼ばれています。(ケムステ記事:指向性進化法

図2. 分子進化法の概念。

2. ライブラリの作製

タンパクは、有機合成によってフラスコ内で作られる分子とは違い、DNAを設計図に生体内で合成されます(図3)。それなので、構造や機能を変化させたいときは、元となるDNAに変異を加えることになります。

図3. タンパクの生合成。

遺伝子工学の分野では、以下のように様々な変異法が確立されています。

  • 部位非特異的変異(ランダム変異):タンパク全体のアミノ酸をとにかくランダムに変異させる。位置も種類もランダム。
  • 部位特異的ランダム変異:特定の位置のアミノ酸をランダムな種類のアミノ酸に変える。site-saturation mutagenesis(部位飽和変異)と呼ばれる。
  • 部位特異的変異:特定の位置のアミノ酸を特定の種類のアミノ酸に変える。

例えば一番単純なランダム変異では、元となるDNAをポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって増幅する際に、DNA合成酵素が働きにくい塩濃度にしておくことで、変異が入ったDNAを得ることができます。

このような方法によって様々に変異を導入したDNAライブラリを作製し、それを大腸菌などの生物に与えてタンパクを発現させることで、目的タンパクのライブラリを作ることができます(図4)。

図4. ライブラリの作製

3. スクリーニング

分子進化によって良い機能のタンパクを得るには、目的の機能に応じてスクリーニングすることが必要です。酵素の場合は触媒活性、抗体の場合は標的分子との結合性など、用途によって得たい機能は異なります。

タンパクの進化においては、ただスクリーニングによって優良なタンパクを得るだけでなく、得られた優良なタンパクのDNAを回収することが重要です。DNAが回収できなければ、そこから新しいDNAライブラリを作り次の進化サイクルを回す、ということができません。

一般的な方法では、まず作製したDNAライブラリを大腸菌の細胞内へと導入し、一度寒天培地上で培養します。すると、図5のように、同じDNAを持った細胞の集まり(コロニー)が形成されます。この一つ一つを回収して96穴プレートなどでそれぞれ培養し、発現されたタンパクの活性の評価、大腸菌からのDNAの回収を行います。

図5. 一般的なスクリーニングの流れ。

ただし、このような方法では、コロニーを一つ一つ回収して評価しなければならないので、調べられる数に限りがあります。分子進化工学の分野では、スクリーニング&優良タンパクのDNAの回収をうまく行う方法について、さまざまな手法が開発されていますが、以下で述べるファージ提示法でも、この問題が大幅に改善されています。

4. ファージ提示法

ファージというのは、バクテリオファージのことで、バクテリアに感染するウイルスです。タンパクでできた殻の中に、核酸(主に二本鎖DNA)が入った構造をしています。ファージ提示法では、ファージのDNAの一部に、進化させたいタンパクの遺伝子を繋げておき、ファージの表面にそのタンパクを発現させます(図6a)。こうして提示されたタンパクを、プレート上で標的分子と結合させ、親和性の高いタンパクをファージと一緒に回収します(図6b)。得られたファージは、目的タンパクのDNAを持っているので、そのDNAを増幅させてさらに変異を加え、進化サイクルを続けることができます。この手法のポイントは目的タンパクとそのDNAがファージによって繋がっていることで、前項のように大腸菌を一つ一つ回収する必要がなく、大量のファージ(タンパク変異体)を一度にスクリーニングすることが可能です。

図6. (a) ファージ上での目的タンパクの提示。 (b) 標的分子に対する親和性選択。

5. おわりに

タンパクの構造の複雑さは、人のデザイン力を上回ります。分子進化の強みは、人には想像し得ない重要な変異を発見できることです。また、ノーベル賞の主な受賞対象となった酵素や抗体以外にも、物質輸送・貯蔵・シグナリング・構造形成など、様々な機能を持つタンパクが存在します。分子進化はそういったタンパクにも普遍的に応用できるため、医療・エネルギー・環境・基礎科学など幅広い分野に貢献する重要な技術と言えます。

関連リンク

参考文献

関連書籍

[amazonjs asin=”B06WP5YZDF” locale=”JP” title=”Directed Enzyme Evolution: Advances and Applications”][amazonjs asin=”B01LYSBS84″ locale=”JP” title=”Directed Evolution of Selective Enzymes: Catalysts for Organic Chemistry and Biotechnology”][amazonjs asin=”1493910523″ locale=”JP” title=”Directed Evolution Library Creation: Methods and Protocols (Methods in Molecular Biology)”]
Avatar photo

kanako

投稿者の記事一覧

アメリカの製薬企業の研究員。抗体をベースにした薬の開発を行なっている。
就職前は、アメリカの大学院にて化学のPhDを取得。専門はタンパク工学・ケミカルバイオロジー・高分子化学。

関連記事

  1. スクショの友 Snagit
  2. 科学とは「未知への挑戦」–2019年度ロレアル-ユネスコ女性科学…
  3. 【速報】2012年ノーベル化学賞発表!!「Gタンパク質共役受容体…
  4. ルテニウム触媒によるC-C結合活性化を介した水素移動付加環化型カ…
  5. Keith Fagnou Organic Chemistry S…
  6. 複雑な試薬のChemDrawテンプレートを作ってみた
  7. 「極ワイドギャップ半導体酸化ガリウムの高品質結晶成長」– カリフ…
  8. カーボンナノリング合成に成功!

注目情報

ピックアップ記事

  1. 東レ科学技術賞:東京大学大学院理学系研究科奈良坂教授受賞
  2. MEDCHEM NEWS 33-3 号「30年後の創薬研究」
  3. 井上 将行 Masayuki Inoue
  4. 50代で初めての転職。面接対策から退職交渉までフォローし、マッチングを成功させた「伴走」の重要性
  5. ヤクルト、大腸の抗がん剤「エルブラット」発売
  6. 真空ポンプ
  7. 谷野 圭持 Keiji Tanino
  8. 理化学研究所上級研究員(創発デバイス研究チーム)募集
  9. 生命が居住できる星の条件
  10. 天然物化学

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年10月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

注目情報

最新記事

“とび跳ねる水滴”に潜む物理 〜接触時間とエネルギー源で読む撥水・防氷のテク〜

熱したフライパンに落ちた水滴が、玉になってコロコロと走り回り、冷えた面では、結露水が合体した瞬間に跳…

AI時代に研究者がすでに持っている力・これから伸ばしたい力

論文要約や文献検索など、研究現場でもAI活用が日常化する一方、「自分の仕事の先行き」に漠然とした不安…

miHub®を活用した探索的データ解析の実践

開催概要研究開発においてデータ活用が進む中、機械学習モデルの構築や予測解析に…

“ある特効薬”のはなし ~本田宗一郎氏の回想から

Tshozoです。最近実家に戻っては色々と廃棄するなどの店じまいを少しずつ進めているのですが、中…

高分子鎖を束ねた新しい共重合体「束状共重合体」が誕生

第715回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院 工学系研究科(植村研究室)に所属されていた亀谷…

2026年「有機溶媒危機」へのアンサー。北大発・メカノクロスが挑む、溶媒に依存しない新たな合成法 = “メカノケミカル有機合成”の社会実装

株式会社メカノクロスは、メカノケミカル有機合成技術の社会実装に挑む北海道大学発の…

“壊れないよう” に作ってきた半導体ポリマーを、あえて “壊れるよう” に作る化学

半導体ポリマーは長いあいだ、「いかに壊れにくく、長持ちさせるか」といったような安定性を競って進歩して…

有機合成化学協会誌2026年7月号:固体高分子電解質・電子ドナー・アクセプター錯体・機械学習法・trichodermamide類・エナンチオ選択的スキップジエン合成法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年7月号がオンラインで公開されています。…

第62回Vシンポ「見えない空気を科学する~センサによる室内環境・臭気の見える化と快適空間デザインの最前線~」を開催します!

こんにちは、Macyです。第62回Vシンポのご案内をさせていただきます。今回は、前回同様…

【協和ファーマケミカル】新卒採用情報(2028年卒)

協和ファーマケミカルが求めているのは、有機合成の知識や実験経験を身につけ、活かし…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP