飛んでいるタンパク質一個をX線の閃光でとらえた

タンパク質がどう働くかを知るために、生物学者はタンパク質が形を変えるところを見たいと考えている。そのためには、一個の分子を、非常に波長の短い放射でさまざまな角度から見る必要がある。問題は、それだけの力をもつ探り針である電子とX線が、撮影する分子を傷めてしまうことだ。クライオ電子顕微鏡は、何千もの分子を氷の中で凍らせ、ノイズの多い多数の画像を平均することで、この問題を回避している。

X線は、散乱1回あたり電子の約1000倍のエネルギーを分子に与える。しかし抜け道がある。「破壊前の回折」(diffraction before destruction)と呼ばれるものだ。わずか数フェムト秒しか続かないX線自由電子レーザーのパルスを使えば、分子が吹き飛ぶ間もなく、散乱した光のパターンが記録される。分子を凍らせる必要も、支えも要らない。飛んでいるところをとらえられるのだ。これまで、この方法は大きなウイルスで成功していた。一個のタンパク質を硬X線で3D撮影することは、手の届かないままだった。

真空中のミミズの血液

ハンブルクのDESYのポール・ルルドゥ・ザビエル(Paul Lourdu Xavier)とヘンリー・チャップマン(Henry Chapman)が率いる大規模な国際チームは、European XFELや世界中の数十の機関とともに、エリスロクルオリンを選んだ。約100匹のミミズの血液から精製した巨大なヘモグロビンだ。質量は3.6メガダルトンで、高い対称性をもつ形をしている。二つの輪が積み重なり、中央に穴が開いている。

タンパク質は細かな液滴として噴霧され、電荷を中和されたうえで細いビームに収束され、真空チャンバーの中を秒速約100メートルで進んだ。残留ガスによる背景の光を抑えるため、ヘリウムが加えられた。このビームを横切るように、ドイツのシェーネフェルトにあるEuropean XFELからパルスが発射された。6キロ電子ボルトのX線光子を180×220ナノメートルの点に絞り込んだもので、一つのパルスは約25フェムト秒続く。

閃光のたびに、分子の原子の約4分の3がイオン化される。しかし、その結果起きる爆発が画像をぼやけさせる前に、閃光は終わっている。

一つの形のための2億7000万フレーム

• 21時間で、検出器は2億7000万フレームを記録した。
• そのうち回折パターンを含んでいたのは、わずか18万8557フレーム(0.07%)で、ほとんどが一個のタンパク質によるものだった。
• 最良の5万フレームを、見る角度の似たものどうしで144のグループに分類した。これにより、解像度約15オングストロームの平面投影画像が得られた。
• 選び出した2万6908個のパターンから、チームは回折を3次元に再構築し、その後最もきれいな1248個を残して、解像度約20オングストロームのタンパク質の電子の3Dマップを計算した。マップには、既知の構造から予想される中央の穴と6回対称性が現れている。

飛行中に縮むタンパク質

3D再構成はどれも、既知の結晶構造よりコンパクトになった。とくに短軸方向でそうだった。チームは、その原因を真空そのものに突き止めた。水の外に出ると、タンパク質は収縮するのだ。分子全体のコンピューターシミュレーションもこれと一致している。タンパク質は最初の1ナノ秒で2.5%縮み、その後はよりゆっくり縮む。こうした分子ごとのばらつきが、3D画像が2D画像よりぼやけている理由だと考えられる。

著者らは次の段階を挙げている。この収縮からタンパク質を守ること。そのために、より小さな液滴、より短い移動距離、瞬間凍結、あるいは極薄の液体シートでの供給などを試す。そして、より安定し、より短く、より強力なX線パルスだ。シミュレーションによれば、画像が鮮明になるほど、放射線による損傷が重要になる。

単一分子の動画に向けて

20オングストロームは、原子を見るにはほど遠い。しかし著者らは、これを30年近く追い求められてきた目標だと述べている。孤立した一個のタンパク質を、結晶化も凍結もせずに、硬X線で3次元撮影することだ。その先に約束されているのは時間だ。タンパク質を動かし、その動きの途中を、閃光一回ずつとらえていくのである。