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の神取 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ました。
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ます。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ります。
本研究の成果は、注目度の高い欧州化学誌であるＡｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ誌のオンライン版に近日中に掲載されることが決定しています。
細菌など微生物が持つ、光でイオンを輸送するタンパク質（微生物型ロドプシン）
これまで知られていた、光で水素イオン（左）や塩化物イオン（中央）を輸送するロドプシンと最近神取グループより発見された、光でナトリウムイオンを輸送するロドプシン（右）。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業、日本学術振興会 科学研究費補助金（若手研究（Ａ））の一環として行われました。
■ ナトリウムポンプ型ロドプシン：ＮａＲの特徴
タンパク質は生物に固有の物質であり、生命活動の基盤となるタンパク質は１０万種類以上もあります。その合成は生きた細胞の中で行われ、合成されたタンパク質は生物の構造そのものや酵素などとして生命現象の発現に利用されます。
１９７１年に、太陽光エネルギーを使って水素イオン（Ｈ＋）を細胞の中から外へ輸送するという全く新しいタイプのタンパク質がある種類の細菌から見つかり、１９７７年には塩化物イオン（Ｃｌ－）を細胞内へ取り込むタンパク質も発見されました。これら光のエネルギーを使ってイオンを輸送するタンパク質はロドプシンと呼ばれています。しかし、生体にとっては重要なイオンの１つであるナトリウムイオン（Ｎａ＋）を運ぶロドプシンは、その後の長い研究の中でも見つかっていませんでした。Ｎａ＋の輸送は神経興奮など生物活動にとって極めて重要な機能ですが、細菌はＮａ＋の輸送のためには太陽光エネルギーを使わない、というのがこれまでの定説になっていました。
しかし神取教授のグループは２０１３年に海洋にすむ細菌から新たにポンプのようにＮａ＋を輸送するタンパク質を発見し、ナトリウムポンプ型ロドプシン（ＮａＲ）と名付けました。そしてこの発見は生物界の常識を覆すものとして、大きな注目を浴びました。
■ ナトリウムポンプ型ロドプシンの謎
極めて新しい分子として注目されているＮａＲですが、それには発見当時から大きな謎があることが知られていました。というのも神取グループで発見されたナトリウムポンプ型のものを含め、ロドプシンは光を吸収するためにレチナールと呼ばれる色素分子と必ずタンパク質内部で結合しています。そしてこのレチナールは必ず水素イオン（Ｈ＋）と結合しており、そのＨ＋はちょうどロドプシンがイオンを輸送するときにイオンが通る、狭い穴の途中に存在しています。Ｈ＋は＋の電気を帯びているため、同じく＋の電気を持つＮａ＋との間には大きな反発力が生じ、Ｎａ＋がタンパク質内部を通過する上で大きな障害となってしまうはずです（図１）。
これらの理由から４０年以上のロドプシンの研究においてＮａ＋を輸送するロドプシンは存在しないとさえ考えられてきました。神取教授らがＮａＲを発見した後も、このタンパク質が他のロドプシンと同様にＨ＋を結合しているにも関わらず、どのようにしてＮａ＋を輸送しているのかは大きな謎とされていました。そこで今回神取教授と井上助教らのグループは光を吸収した後、タンパク質がＮａ＋を輸送する様子を、レーザーを用いた高速の観察技術やバイオテクノロジーを用いて調べることにより、これまで謎とされていたＮａＲによるＮａ＋輸送のメカニズムの解明に挑みました。
■ 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、まず神取教授らは研究に必要なＮａＲ試料の作製に取り組みました。本来ＮａＲは海洋にすむ細菌の細胞中に存在しますが、海洋性の細菌は飼育が難しく、さらにそこに含まれるＮａＲも非常に微量であるため、その性質を調べることが非常に困難です。そこで神取教授らは飼育が容易な大腸菌を用いて、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しました。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みました。タンパク質であるＮａＲは数百個のアミノ酸が連なった構造を持っていますが、このＤＮＡにはそのつながり方の情報が全て保存されており、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ります。そして神取教授ら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ました（図２）。
そして次に、得られたＮａＲがどのようにしてＮａ＋を輸送するのか、その様子を詳細に調べることで、これまで謎とされていた輸送メカニズムの解明に取り組みました。しかしＮａＲによるＮａ＋の輸送は１０００分の１秒といった非常に短い時間で起こるため、通常どのようにＮａ＋がタンパク質内部を輸送されているのかを観察することはできません。そこで本研究では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「超短パルスレーザー」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ました。
その際にまず神取教授らはＮａ＋の輸送を阻害しているＨ＋のすぐそばに、アスパラギン酸とアスパラギンという２つの特徴的なアミノ酸が存在することに着目しました。この位置にこれらのアミノ酸が存在するのは数あるロドプシンの中でＮａＲだけが持つ特徴であり、それには何か特別な理由があると考えられました。そこでＮａＲにレーザー光を照射し、Ｎａ＋の輸送過程の観察を試みたところ、まず初めに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りました。その後４０万分の１秒という非常に短い時間の間に、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。
そしてそれに引き続き、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ました。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＋を強くひきつけます。そして興味深いことに、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りました。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ります。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りました（図３）。
これによって４０年以上にわたって議論が行われてきたロドプシンによるＮａ＋の輸送のメカニズムが極めて詳細に明らかとなりました。
■ 今後の展望：医療・環境問題へのロドプシンの利用に向けて
今回の研究によりＮａＲがどのようなメカニズムでＮａ＋を輸送しているのかが初めて明らかになりました。Ｎａ＋は様々な生き物の体の中で重要な役割を持ち、例えば動物の脳などの神経細胞では、Ｎａ＋が移動することで神経の興奮が引き起こされます。これに対し今回の発見をもとにＮａ＋の動きをＮａＲで制御できれば脳神経回路の動作メカニズムの研究への応用が期待されます。また神取教授らはこれらをもとに人工的にＮａＲのタンパク質構造を改変することで、Ｎａ＋以外のイオンについても光を使って輸送することができるようになるのではないかと考えています。例えば本来ＮａＲのタンパク質内部に存在する穴は非常に小さいため、Ｎａ＋よりもサイズが大きいカリウムイオン（Ｋ＋）をＮａＲは輸送することができませんが、神取教授らは既に今回明らかになった穴を大きくすることでＫ＋を輸送する分子の作製にも成功しています。
その他にもうつ病の治療ではリチウムイオン（Ｌｉ＋）を患者の体内に投与しますが、大量に蓄積すると副作用が生じることが分かっています。ＮａＲはＬｉ＋を輸送することもできるため、今回の結果をもとに、よりＬｉ＋の輸送能力の高い分子を作り出すことができれば、そのような副作用の改善に役立つと考えられます。また福島原発の事故以来、海水中などに含まれる放射性セシウムイオン（Ｃｓ＋）が大きな環境問題となっています。これについてもＣｓ＋を輸送することができるロドプシンを設計することで、光というクリーンなエネルギーを使って回収・除染することが可能になると考えられ、環境問題にも今回の発見が大きく貢献することが期待されます。
＜参考図＞
図１ レチナールに結合した水素イオン（Ｈ＋）はナトリウムイオン（Ｎａ＋）の輸送を阻害すると予想される。
図２ 大腸菌を用いて合成されたＮａＲ
図３ 今回明らかになったＮａＲによるＮａ＋移動のメカニズム
光を吸収するとＮａＲの中のレチナールの構造が変化し（左）、その後Ｎａ＋の輸送を邪魔していたＨ＋が隣にあるアスパラギン酸に移動し、さらにアスパラギン酸が方向を変えることでＮａ＋が通るための穴がタンパク質内に４０万分の１秒という速さで開く（中央）。そして１０００分の１秒の時間でＮａ＋がタンパク質内を通過し、再びアスパラギン酸からＨ＋が最初の位置に戻って、開いた穴が元に戻る（右）。
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名古屋工業大学工学研究科 未来材料創成工学専攻 ナノ･ライフ変換科学分野
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