生物学の研究において、長年研究者たちを悩ませてきた「ギトギトした（脂っこい）」問題があるのをご存じでしょうか？それは、細胞の膜に存在する「膜タンパク質」の扱いにくさです。病気の予防や治療薬の開発に欠かせない極めて重要な存在でありながら、水を弾く性質があるため、実験室の水環境では形を保てず、扱うのが非常に難しいという高い壁がありました。
界面活性剤を使わずに膜タンパク質を水に溶かす新技術
細胞膜の環境を模倣することにより、新しくカスタムデザインされたタンパク質が、界面活性剤を使用することなく、水を弾く（疎水性の）タンパク質を水に溶かすことに成功しました。本研究成果は「「A WRAP for biology's greasiest problem（生物学における最も脂っこい問題への解決策）」」として発表され、大きな注目を集めています。
「膜タンパク質は、扱うのが難しいことで悪名高い存在です。私たちは、これらを水の中で形を保ったまま維持する方法を見つける必要がありました」と、ワシントン大学医学部の生化学教授であり、同大学医学部タンパク質設計研究所（IPD）の所長を務めるデビッド・ベーカー（David Baker）博士は語ります。
この課題に挑んだ研究者たちは、計算科学的にデザインされたタンパク質の「カバー（覆い）」を使用することで、膜タンパク質の構造を識別できることを初めて報告しました。
この発見は、生物医学研究における細胞生物学のいくつかの障害を克服する可能性があります。例えば、梅毒ワクチンの開発は、この感染症を引き起こす細菌の外膜にある「抗原」の研究が困難であったために、長年停滞していました。抗原とは、免疫系に細胞への攻撃を促す、化学的な警告サインのようなものです。
従来、膜タンパク質を抽出するために、科学者たちは脂溶性と水溶性の物質を橋渡しする表面活性分子を含む「界面活性剤」を使用してきました。しかし、このアプローチは多くの場合、退屈で多くの段階を要する取り組みであり、得られた知見の応用を制限してしまうことが少なくありませんでした。
そこで、タンパク質設計研究所が率いるプロジェクトチームは、新しい解決策を開発しました。それが、膜タンパク質を周囲から包み込むことができる、カスタムデザインされたタンパク質です。この「水溶性ロゼッタフォールド拡散両親媒性タンパク質（WRAPs: Water-soluble Rosetta Fold-diffused Amphipathic Proteins）」は、タンパク質の疎水性表面を遮蔽し、界面活性剤を使わずに水中で可溶かつ安定な状態を維持させることができます。
WRAPsは標的となる膜タンパク質に遺伝子的に融合しており、可溶性画分から直接精製されるため、研究者はネイティブな（元の）配列を変更することなく、細胞膜そのものを完全に回避することができます。このタンパク質設計者たちは、WRAPsが本来の構造を保ったまま、幅広い膜タンパク質を水溶性にできることを実証しました。科学者たちは、マイコバクテリウム（結核菌の仲間）の「ポーリン」という、溶解した栄養素が流れ込む細胞膜貫通チャネルの構造を高解像度（2.95 Å）の画像として捉えることに成功し、この知見を検証しました。
論文のシニアオーサー（責任著者）であるベーカー博士は、「WRAPsが提供するこの能力は、研究と治療への応用の両方に、多くの新しい可能性を切り拓くものです」と述べています。
ベーカー博士の解説によると、WRAPsは、膜タンパク質の構造的および機能的な特徴を損なうことなく、実験室でのアクセスを可能にします。これにより、ワクチン、診断薬、そして医薬品の開発に向けた取り組みにおいて、幅広い応用への扉が開かれることになります。
研究者らが挙げる具体的な一例が、梅毒を引き起こす細菌である梅毒トレポネーマ（Treponema pallidum）の外膜タンパク質です。これらのタンパク質は主要な抗原ですが、長年にわたり、人工的な製造や構造の特性解析が極めて困難でした。しかしWRAPsは、安定で水に溶ける抗原の作製を可能にすることでこの状況を一変させ、ついに特性の解析を可能にしました。この極めて重要な情報は、今後のワクチン開発や新しい診断法の確立につながる可能性があります。
「私たちのWRAPアプローチを、ようやく広い科学コミュニティに公開し、膜タンパク質分野における発見がどのように加速されていくかを見届けられることに、とてもワクワクしています」と、論文の筆頭著者であるリュビツァ・ミハリエヴィチ（Ljubica Mihaljevic）博士は語ります。リュビツァ・ミハリエヴィチ博士は、ハワード・ヒューズ医学研究所のヘレン・ヘイ・ホイットニー博士研究員（ポスドクフェロー）としてタンパク質設計研究所に所属しています。また、同じくワシントン大学医学部の生化学研究員であるデビッド・E・キム（David E. Kim）氏と、生化学の博士課程に在籍するプージャ・バンダワネ（Pooja Bandawane）氏も、共同筆頭著者としてこの研究に貢献しています。
なお、本研究は、Coefficient Giving（GV673605158）、ビル&メリンダ・ゲイツ財団（INV-043758、INV-040928、INV-051483）、アメリカ国立保健研究所（NIH）傘下のアメリカ国立アレルギー・感染症研究所（U19AI144177）、ハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）、クルチ財団博士フェロープログラム、およびエルヴィン・シュレーディンガーによる支援を受けて行われました。
https://newsroom.uw.edu/news-releases/a-wrap-for-biologys-greasiest-problem/
