Research Fields : Biophysics, Microspectroscopy, Quantum Biology, Biophotophysics
Keywords : Single-Molecule Spectroscopy, Ultrafast Spectroscopy, Microscope Development, Photosynthetic Light Reactions
研究分野 ： 生物物理学、顕微分光学、量子生物学、生体光物理学
キーワード： １分子分光、超高速分光、顕微鏡開発、光合成光反応
新しい顕微分光装置を開発して摩訶不思議な現象を観察しよう！
タンパク質骨格の構造揺らぎや構造変化は結合分子の光物性に摂動を与えるため、蛍光の強度・寿命・ピーク波長・偏光などのランダムな揺らぎとして観測できます。しかし通常の測定では、アボガドロ数レベルの多数の粒子が存在するアンサンブル系を観測対象にするため、各々の粒子で生じるランダムな変化は平均化されて解析できません。そこで、分子やタンパク質を１粒子のみ取り出して観測する１分子分光法を用います（図１）。実験で得られた揺らぎデータを統計解析することで、分子やタンパク質１粒ごとの動的な物性が調べられます（図２）。さらに、顕微鏡にフェムト秒レーザーを導入し、時間分解測定を行うことで、微視的な量子状態の時空間マッピングが可能になります。しかし、研究用途で使用される最新鋭の顕微鏡を用いてもこれらの測定は困難です。そこで我々は独自に顕微分光装置を開発しています。オンリーワンの測定装置を駆使して、これまでに世界の誰も見たことのない生体光現象を観測したいと考えています。
図１．１粒子の蛍光イメージ
図２．レーザーを用いた１分子顕微分光
１分子レベルの超高速スペクトル分光法を用いた光合成光反応の揺らぎ解析
光合成タンパク質は光吸収→エネルギー移動→電荷分離→電子移動といった一連の過程を制御しています。特に光吸収から電荷分離まではフェムト秒～ピコ秒という非常に短い時間で生じる超高速光反応になります。従って、観測するにはフェムト秒時間分解能が必要となります。さらに、数個～数十個もの分子が関与する多段階過程なので、各分子をエネルギー準位（つまり、色）によって区別するスペクトル分光測定が必須となります。これらを１分子・１タンパク質レベルで達成し、タンパク質の構造ダイナミクスと光反応がどのように相関するのかを明らかにしたいと考えています。
光反応過程を調べる方法として一般的に時間分解蛍光測定が用いられます。１分子測定も行われており、市販の顕微装置でも観測できます。しかし、蛍光スペクトルの時間分解となると技術的に難しくなります。我々は時間分解蛍光スペクトル測定が可能な共焦点顕微鏡を開発し、光合成タンパク質のエネルギー移動過程の１分子観測に挑んでいます（図３）。光エネルギーが流れる速度や経路がどのように揺らいでいるのかを解析したいと考えています。
上記に加えて電荷分離→電子移動過程まで解析できれば一連の光反応過程を包括的に議論できます。しかし、電子移動過程はエネルギー移動過程とは異なり蛍光観測ができません。そのため、電子が流れていく際に生じる分子吸収の過渡変化を検出しなければなりません。吸収測定は蛍光測定に比べて難易度が高く、１分子観測となると世界的にも極めて高度な挑戦課題となります。我々は高感度吸収顕微鏡の開発を進めており、タンパク質内を電子が流れる様子を１分子レベルで観察したいと考えています。電子移動過程がどのように揺らぐのかという素朴な疑問に答えるため、研究を進めています（図４）。
図３．開発中の顕微分光装置
図４．電子移動過程の揺らぎ
本当に量子効果は生命を駆動するのか？
光合成生物の細胞内には、クロロフィルなどの色素分子が多数含まれており、太陽の光を吸収します。吸収された光のエネルギーは色素分子間を移動し、反応中心と呼ばれるタンパク質に渡されて電荷分離が生じ、光エネルギーからへと電気化学エネルギーへと変換されます。この際の量子収率はほぼ１００％に達しており、理想的な太陽電池と言えます。しかし、そのエネルギー輸送機構は未だに大きな謎として残されています。天然の光合成系を凌駕するような人工系を創り出すのは人類にとって大きな夢の１つですが、実現するには至っていません。
光合成系のエネルギー移動は、光エネルギーが隣接する色素分子間をバケツリレーのように移動するモデル（図５A）で説明されてきました。しかし近年になり、量子的な挙動を示す実験結果が次々と報告され、大きな話題となっています。量子的なモデルでは、複数の色素分子が相互作用で互いに結びつき、量子状態が空間的に広がることで、波のような性質を保ちながら光エネルギーが移動すると考えられています（図５B）。複雑に揺らぐ生体環境の中で、高効率なエネルギー輸送を保つ調整機能として重要な役割を担うことが示唆されており、現在多くの検証研究が進められています。我々は量子現象をミクロレベルで観測するため、独自の時間・空間分解顕微鏡を開発しています。量子効果が光エネルギー輸送効率に与える寄与を定量的に評価することで、生物が生きていくために量子現象はどの程度重要なのか？、という問いの答えを探りたいと考えています。
図５．非局在励起子状態を介したエネルギー移動
光合成系と並んで、量子効果の関与が強く示唆されている生体機能の一つに、渡り鳥の磁気コンパスがあります（図６）。何百 km もの長距離を、GPS も地図も持たずに移動して目的地にたどり着くことは、普通に考えて驚くべき能力ですが、その背後には、光とスピンを巧みに利用する仕組みがあると考えられています。ここで有力な候補分子となっているのが光感受性タンパク質クリプトクロムで、光を受けることで内部にスピン相関したラジカル対を形成します。このラジカル対のスピンダイナミクスを介して外部磁場を感知することで、最終的な反応収率や生成物分布が変化すると考えられています。まさに量子状態を介した磁場センサーであり、地球の微弱な地磁気を読み取るコンパスとして機能することが提案されています。しかし、それが実際に生体内でどの程度重要なのか？、また分子レベルの微弱な量子効果がどのようにして個体レベルのマクロスケールな行動応答へと増幅されるのか？、は尚も大きな未解決問題です。我々は、独自に開発してきた顕微分光技術を武器に、この問題に挑みたいと考えています。
図６．渡り鳥の磁気コンパス
地質試料に残された光合成物質の分光情報から地球と生命の共進化史を読み解く
光合成生物は３８憶年も昔の太古の地球に誕生し、地球環境の変遷と共に進化してきたと考えられています。その過程で様々な光反応システムを進化させ、環境に適応できなかったものは消えていったに違いありません。それら今は亡き光合成系の機能が解析できれば、光合成生物の進化だけでなく地球環境の変遷過程も含めた統合的な議論が可能となります。このような地球と生命の共進化の歴史を解明すべく、私達が得意とする１分子顕微分光技術を駆使して地質試料中に残された光合成物質の分光解析に取り組んでいます（図７）。太古の地球で繁栄していたであろう光合成生物の痕跡にアクセスできれば、これまでとは比較にならないくらい豊富な情報を得ることができます。全く新しい視点から学術的なブレイクスルーを起こせると考え、研究に取り組んでいます。
図７．顕微分光測定に使用するレーザー光源
動的に振る舞う生体系の謎に迫る...
生体タンパク質は基本的に１構造につき１機能を発現します。酵素反応における鍵と鍵穴モデルなどは代表的な例で、高次構造の利点を上手く生かした巧妙な系が構築されています。一方で、生体内ではpH・温度・塩濃度などの様々な環境因子が時々刻々と変化しており、タンパク質はそれらの変化に敏感に応答して構造を柔軟に変化させることも知られています。天然変性タンパク質のように特定の立体構造を持たず、標的に接触すると結合しやすい構造に変化する系まで存在します。タンパク質の構造と機能は基本的に１対１で対応していると言いましたが、状況に応じて構造が柔軟に変化すればその分だけ機能が多彩になります。光合成系でもpH応答型のタンパク質構造変化を上手く利用した光反応効率の調整機構が示唆されており（図８）、過酷な自然環境下で生き抜く術を獲得しています。現存する生命は全て有機物をベースにしていますが、このような構造柔軟性が生命の謎を解く鍵となるかもしれません。しかし、これらを実験的に解析するのはそれほど簡単ではありません。特に、環境変化や物質間相互作用をトリガーとする構造ダイナミクスの解析法は発展途上にあり、未だに不明な点が多く残されています。そこで我々は顕微分光技術を応用した新しい解析手法の開発を進めています（図９）。想像以上に動的に振る舞う生体系の全貌を明らかにできれば、生命の駆動原理の理解にまた一歩近づけます。近年では人工タンパク質の合成技術も急速に発展しており、将来的にはダイナミクス特性までプログラムされた多機能性物質の開発研究へと繋がるとも期待しています。
図８．光反応を制御するダイナミクス
図９．開発中の顕微分光装置の一部
１つのタンパク質の解析だけでは見えてこない、生体膜システム全体での機能ダイナミクス
これまでに多種多様な光合成タンパク質が解析されていますが、その多くは単離・精製された個別のタンパク質を対象としています。しかし実際の生体内では、タンパク質は単独で働くのではなく、生体膜の中で複数のタンパク質が相互作用しながら、ひとつの機能システムとして連携して働いています（図１０）。個々のタンパク質の性質はかなりのレベルで明らかになってきた一方で、それらが膜上で集合し、相互作用しながら働くときに、どのような機能が発現するのかについては、なお未知の部分が多く残されています。実際、各タンパク質の機能が単純に足し合わされるだけではなく、相互作用によって新たな制御性や応答性が生まれることが、少しずつ分かってきています。
例えば、光合成の光捕集タンパク質は太陽光を吸収し、そのエネルギーを反応中心へと受け渡す役割を担っています。しかし、強すぎる光のもとで反応中心に過剰なエネルギーが流れ込むと、今度は余剰の光エネルギーを熱として逃がし、光ダメージを防ぐ方向へと機能が切り替わります。このような光利用と光防御の切り替えは、単一のタンパク質だけで実現されるものではなく、光捕集タンパク質、反応中心タンパク質、膜環境、さらには膜内外の状態変化が連動して初めて成立する、極めて巧妙なフィードバック型の光応答システムです。非常に興味深い現象ですが、その制御機構の詳細は、いまだ十分には分かっていません。
そこで我々は、複数のタンパク質が膜の中で連携している様子を解析できる、新たな顕微分光技術を開発したいと考えています。近接した複数のタンパク質を分光学的に識別し、それぞれの状態や相互作用を読み分けることができれば、ナノメートルスケールで生じている機能連携の実態に実験的に迫ることが可能になります。さらに、独自のフェムト秒顕微分光技術を駆使することで、光エネルギーが膜内のタンパク質間をどのように流れ、どのような条件で切り替わるのかを、時空間的に可視化することを目指しています。これまで世界の誰も直接見ることのできなかった、生体系における膜システム全体の光反応ダイナミクスを解明できると期待しています。
図１０．複数のタンパク質が連携する生体膜システム
異分野と連携して科学の新たな潮流を日本から生み出そう！
我々のグループは多種多様な異分野（量子光学・理論化学・有機化学・生化学・生体工学・有機地球化学・エネルギー化学 etc...）の若手研究者とタッグを組みながら共同研究を進めています（図１１）。各々の専門技術、知識、経験を互いに交換し合いながら、分野の垣根を乗り越えることで、今までにない斬新な切り口から新しい科学を開拓しています。量子計測と顕微観測の融合、超解像を超える超・超解像顕微法の確立、巨大な光合成タンパク質超複合体で制御される光反応過程の１分子観察、絶滅光合成生物の分光解析、人工光合成アンテナ内の量子状態観測など、現在進行形で数多くの挑戦的なプロジェクトに取り組んでいます。山口大学、立命館大学、名古屋大学、大阪公立大学、東京大学、中央大学、名古屋工業大学、東北大学、理研など、日本各地の野心的な研究グループと密に連携を取りながら、科学の新たな潮流を日本から生み出すことを目指しています。
図１１．異分野との連携
