細胞工学 33巻8号 (2014年7月発行)

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特集　バイオNMR:細胞内分子の真の動的構造と相互作用を明らかにする

Overview 神田　大輔 33巻8号 , 2014年7月 , pp.810-814

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NMRは核磁気共鳴法（nuclear magnetic resonance）の頭文字を並べたものです．「原子核を磁場の中に置くと共鳴現象を起こす」ことを簡潔に表しています．理系の方ならNMRに関する大学の授業を必ず受けたことがあるはずです．でも，何やら難しそうなのでできれば避けて通りたいところでしょう．しかし，NMR現象に関係するノーベル賞が過去5 回も出ていることからもわかるように，NMRは物理，化学，生物，医学の広い範囲にわたる分野で使われる優れた測定法であり，NMRなくしては成り立たない研究分野がたくさんあります．NMR現象を少し詳しく説明すると，「水溶液あるいは粉末などの形態の化合物を磁場の中に置くと，その化合物を構成する原子の中にある原子核が電磁波と相互作用する」現象です．原子核は自転していて小さな磁石と見なせるので，磁場と相互作用するのは理にかなっています．原子核1 つの磁石の強さはたかが知れていますが，物質全体で足し合わされると検出可能な巨視的な磁化となります．磁化の大きさや方向が時間変化すると，試料の周囲に配置したコイルに電磁誘導の原理で起電力が発生し，NMRシグナルとして観測できる仕組みです．この磁場中の原子核-電磁波相互作用を利用すると，原子核のスピンと呼ばれる量子状態を自由に操作することができ，原子核の周囲の電子の状態や原子核同士の関係を詳しく調べることができます……と，ここまでどうにか読んではきたけれど，そろそろ読み飛ばそうと思ったあなたはきわめて正常です．NMRの理解には量子力学的な記述を必要とします．スピン量子数，コヒーレンス，緩和時間などの難解な物理用語や，実際に使う段になるとフーリエ変換やパルスプログラミングなどの実務的な知識も必要になります．最近ではNMR測定も次第にワンクリック実験になりつつありますが，それでも，それなりの専門知識が必要とされます．バイオの世界におけるNMRの永遠のライバル・X線結晶解析法も，本当に理解するには結晶によるX線の回折現象という物理の世界に行って帰ってくる必要があります．そこでは空間群という数学も必要です．しかし，数学的枠組みがしっかりしていることが幸いして，非常に良くできた解析計算プログラムが利用でき，難しいことをほとんど全部面倒を看てくれます．X線結晶解析法の直接の結果は電子密度なのですが，最終結果は原子の（x，y，z）座標というわかりやすい形で表現されるために，生命系研究者にとって非常に理解しやすくなっています．

【第1部】In-cell NMR　In-cell NMRを用いたin situ構造生物学伊藤　隆 33巻8号 , 2014年7月 , pp.815-819

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非侵襲性が優れ，かつ原子分解能での解析が可能なNMRは，細胞内の生体高分子の詳細な解析（in-cell NMR）に適している．細胞内の分子クラウディング環境は，タンパク質のいろいろな結合イベントのみならず，その立体構造やダイナミクスに影響を与えると考えられ，特にタンパク質表面のフレキシブルな領域の立体構造や，マルチドメインタンパク質のドメイン間の相対位置などの情報は，生理的条件下のタンパク質の活性発現メカニズム理解に新たな光をもたらす可能性がある．本稿では，細胞内タンパク質の立体構造解析を目指すin situ 構造生物学的アプローチについて取り上げ，現状と将来の展望について概説する．

【第1部】In-cell NMR　In-cell NMRで哺乳動物細胞内タンパク質の分子間相互作用を解析する猪股　晃介 33巻8号 , 2014年7月 , pp.820-824

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タンパク質の物性やその分子機能を理解しようとしたとき，原子レベルの立体構造情報はきわめて有用であり，構造生物学の発展が目覚ましい昨今では必須な情報の1つと言ってもいいだろう．ただし，細胞内で実際に機能するタンパク質の多くは，常に一定の立体構造を保持しているわけではなく，様々な因子と特異的あるいは非特異的な相互作用をし，ダイナミックに変化している．つまりタンパク質の機能をより厳密に理解しようとしたとき，生細胞内でタンパク質の構造・動態を原子レベルで解析できるin-cell NMRが有効となる．本稿では，哺乳動物細胞内でタンパク質の分子間相互作用を解析するための手法開発と実際の応用例について紹介する．

【第1部】In-cell NMR　生細胞内での生命現象を観測するin-cell NMR技術の開発と応用西田　紀貴 , 嶋田　一夫 33巻8号 , 2014年7月 , pp.825-829

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In-cell NMR法は，タンパク質の立体構造や相互作用解析を実際の細胞内環境で行うことのできる NMR手法である．しかし，従来の in-cell NMR法では細胞を高密度に懸濁して観測を行うため，測定中に培地成分や溶存酸素が枯渇し，細胞死や観測タンパク質の細胞外への漏出が起こることが問題となっていた．この問題を解決するために，筆者らのグループでは NMRサンプル管内に培地を灌流させて，細胞を生理的条件下に保ったまま NMR測定を行うことが可能なバイオリアクター装置を開発した．本稿では，バイオリアクター装置の詳細とこれを利用した細胞内タンパク質間相互作用解析への応用について述べる．

【第1部】In-cell NMR　NMRで分子混雑環境におけるタンパク質の挙動を調べる岡村　英保 , 木川　隆則 33巻8号 , 2014年7月 , pp.830-834

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これまで細胞内のような分子混雑環境では，排除体積効果によってタンパク質の安定性は高まると考えられてきた．しかし，近年のin-cell NMRをはじめとする解析技術の進歩により，分子混雑環境がタンパク質動態に及ぼす影響はより複雑なものであることがわかってきた．そこで，NMR緩和解析により分子混雑環境下でのタンパク質の運動性を調べることが期待されるが，従来の解析方法がそのまま適用できないなどの障害が存在する．本稿では，分子混雑環境下でタンパク質のNMR緩和解析を行うための筆者らの取り組みについて紹介する．

【第2部】バイオマス解析への応用　溶液NMR法による木質バイオマスの丸ごと解析片平　正人 33巻8号 , 2014年7月 , pp.837-842

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石油などの化石資源に替わるエネルギー源・物質源として食糧問題を引き起こす心配がない木質バイオマスが注目されている．このような世界動向の下，溶液NMR法が木質バイオマスの解析・活用に有用であることがわかり，活躍の場を広げている．木質バイオマスを丸ごと解析でき，他の測定手段では得られない分子・原子レベルの構造と動態に関する情報が得られる点が同法の大きな利点である．また，木質バイオマスの解析に適した新たな方法論の開発も期待されており，NMR研究者が腕を振るう余地が大いにある．本稿では，溶液NMR法がライフイノベーションのみならず，グリーンイノベーションの鍵となる役割を果たしつつある現況を解説する．

【第2部】バイオマス解析への応用　複雑系高分子群に挑むバイオマスNMRの世界小松　功典 , 菊地　淳 33巻8号 , 2014年7月 , pp.843-849

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生命は外界から摂取したエネルギーを代謝して超有機体を形成し，やがて死して分解される．この超有機体成分の中で死して分解されにくいバイオマスとして多糖とリグニンの複合体からなるリグノセルロースがある．筆者らは，NMR法が低分子から高分子の複合系を計測できるきわめて汎用性の高い分析手法である特性に着目し，種々の溶液および固体NMR法を駆使したリグノセルロース解析に挑戦してきた．本稿では，水陸バイオマス複合系の組成や構造変動を追跡する世界動向のみならず，自然界のバイオマス循環理解や農工業的利用を目指し，他の分析手法と組み合わせた筆者らの統合解析技術構築の試みも紹介する．

【第3部】革新的NMR技術　核偏極分子プローブを用いた高感度NMR計測山東　信介 33巻8号 , 2014年7月 , pp.856-860

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細胞・生体における分子の構造変化や反応など動的な分子の活動を調べ，理解することは生命科学の大きな挑戦の1つである．分子の構造を知ることができるNMR法は，その実現に大きな可能性を持つ技術であるが，応用に際しては“感度が低い”という問題点がある．本稿では，この問題克服に向け研究が進められている“核偏極分子プローブを用いた高感度NMR計測”について，原理，手法，応用について概略を説明するとともに，その実現に残されている課題まで幅広く紹介する．

せるてく・あらかると

不均一系NMRの黎明期を振り返る甲斐荘　正恒 33巻8号 , 2014年7月 , pp.835-836

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生体内では，様々な物質が時々刻々とそれらの存在量，空間分布，立体構造，さらには動態を変化させつつ，複雑な相互作用に関わっている．本特集には，NMR法が幅広い測定対象に適用できる柔軟な手法であるという原点に立ち戻り，生体分子をあるがままの“真の姿”として捉えるため，生体系NMR再生への思いが込められている．このような発想そのものは決して新しいものではない．すでに40年あまり前に遡るが，私も同じような考えから，様々な不均一系試料のNMR測定に取り組んだことをつい先日のように思い出す．この間，超伝導磁石を利用する高磁場NMR装置の進歩と普及，多次元NMR法を中核技術とする立体構造解析法の発展，さらには遺伝子組換え技術を利用した安定同位体標識試料調製法の高度化など，予想もしなかった画期的な新技術が登場し，NMR法の発展基盤は大きく強化された．このような状況が，逆に若い研究者諸氏にとってはNMR研究が踊り場に差し掛かっているように見えるのかもしれない．時計の針は大きく戻ることになるが，バイオNMRの将来を展望する機会に，かつて世界を驚かせた不均一系NMRの黎明期を振り返ることは無駄ではあるまい．

NMR温故知新稲垣　冬彦 33巻8号 , 2014年7月 , pp.861-863

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この40 年間，NMRの分野では超電導磁石の導入，フーリエ変換および多次元NMR法の開発，安定同位体標識法の開発など絶えず革新的な技術発展があった．そのおかげで当初は有機化学のツールであったNMRが生命科学の重要な手法の1 つにまで成長した．さらにこの時期には新しい学問としての構造生物学が生まれ，成熟期を経て構造生命科学へと多彩な進化を遂げつつある．ここでは筆者の経験を踏まえてNMRの変遷と現状を振り返るとともに今後の研究動向を考えてみたい．

基本情報

細胞工学
33巻8号
(2014年7月発行)

電子版ISSN：印刷版ISSN：0287-3796 Gakken

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