動いて並んでつながって。タンパク質が幾何学模様に！ プログラムされた分子が自発的にナノ模様を形成

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の菊池幸祐大学院生と上野隆史教授、古田忠臣助教のグループは、九州大学 大学院理学研究院の前多裕介准教授、福山達也研究員（当時）、名古屋大学／自然科学研究機構生命創成探究センターの内橋貴之教授の研究グループと共同で、タンパク質の部品を組み換えることで目的のナノ模様をつくりだすことに成功した。

タンパク質集合体^[用語1]は、持続可能なナノマテリアルや生体内ではたらく分子ロボットの素材として注目されているが、望みの模様をつくりだすことは困難とされていた。本研究では棒状の構造を有するタンパク質に着目し、その両末端を改造することで分子をプログラムし、三角形格子や横並び状態、ファイバー構造などの二次元ナノ模様の作り分けに成功した。

今回の二次元ナノ模様は、タンパク質の群れが動きまわりながら相手を見つけ、連結していくことによって形成される。したがって、これまで分子レベルでは実現されてこなかった、イワシやムクドリの群れのようなアクティブマター^[用語2]としてのタンパク質の利用が見込める。さらに、タンパク質が模様の欠陥をみずから修復して整列していく様子も確認されており、生体適合性の自己回復フィルムやタンパク質由来のウェアラブルデバイスをはじめとする、次世代スマート材料^[用語3]としてさらなる応用が期待される。

本成果は、新学術領域「発動分子科学」と文部科学省科研費の支援によるもので、ナノマテリアル分野において最も権威のある学術誌のひとつである「スモール（Small、Wiley-VCH誌）」のオンライン版で1月6日に公開された。

自然界では、タンパク質が集合することでケージやファイバー、リング、シートなどの構造体をつくりあげ、さまざまな生体機能を発揮している。こうしたタンパク質集合体のなかでも特にタンパク質二次元集合体は、その表面に規則正しく機能性分子を提示可能なことから、材料分野のみならず生体親和性フィルムなどの医薬分野への応用も期待されている。

近年では、コンピュータ手法や構造解析技術の発展にともない、さまざまなタンパク質二次元集合体が合成されてきた。しかしながら、タンパク質同士の相互作用は非常に複雑であるため、特定の分子からさまざまなナノ模様をつくり分けることは困難とされてきた。

上野教授らのグループは、剛直な胴体部分を有する棒状タンパク質PN^[用語4]に着目した。同グループは先行研究において、PNの両末端が自由に改造可能であることを明らかにしており、末端同士の結合を設計することでさまざまな二次元模様を構築できると考えた。

具体的には、両末端に手を伸ばしたヒスタグクラスター^[用語5]を有するrPN、両末端がフォールドンドメイン^[用語6]に覆われて結合が形成できなくなったrPN_ΔHis、疎水的なβシート^[用語7]による平滑な末端を有するrPN_ΔTipの計3種類のPNを設計した（図2）。

次に、設計した3種類のPNを高速原子間力顕微鏡^[用語8]によって観察したところ、それぞれ三角形ナノ格子、横並び状態、ファイバー構造の形成が確認された（図3）。このことから、PNの末端の構造設計によって二次元ナノ模様が制御できたことが明らかになった。

同研究グループはさらに、一方の末端が結合したrPNが、ピボット状にゆらゆらと回転運動しながら結合相手を探して整列していく様子の直接観察に成功した（図4）。またこの他にも、PNが並進や回転をするなかで集合化する様子が捉えられ、ナノ模様の形成におけるタンパク質のダイナミックな運動の存在が明らかになった。

つづいて、これらの実験で観察された運動性をもとに理論モデルを構築し、モンテカルロ法^[用語9]にもとづくシミュレーションをおこなった。その結果、PNの末端の違いによって最終的なナノ模様が劇的に変化する様子が確認され、実験結果とよい一致を示した（図5）。

今回報告した二次元ナノ模様制御は、剛直な棒状タンパク質の両末端をデザインして、集合化をプログラムすることによって達成された。タンパク質はさまざまな改造や複合化が可能であるため、多彩なナノ模様構築や機能化設計の基盤技術となることが見込まれる。さらに、タンパク質が群れとして自発的に動きまわる性質を応用することで、魚や鳥などのアクティブマターに見られる秩序だった群れ運動をおこなう分子ロボットの開発へとつながり、スマート社会の実現に大きく貢献することが期待される。