タンパク質の折りたたみ過程を音で解析、画期的な発見に
タンパク質が折りたたまれる際に水素結合がどのように影響するかを、データを音に変換することで科学者たちは明らかにしました。この発見はタンパク質がアミノ酸の連鎖から機能する折りたたまれた形へと変わる過程に新たな視点を提供します。このプロセスにはどのような驚きがあるのでしょうか？
科学者たちは、タンパク質が未折りたたみ状態から折りたたみ状態に移行する際の水素結合の連続を記録し、『「Hydrogen Bonding Heterogeneity Correlates with Protein Folding Transition State Passage Time As Revealed by Data Sonification」（水素結合の多様性がタンパク質折りたたみ遷移状態の通過時間と相関することをデータ音響化によって明らかに）』という論文をPNAS誌に発表しました。
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の化学教授、マーティン・グルーベレ博士（Martin Gruebele, PhD）と作曲家・ソフトウェア開発者のカーラ・スカレッティ（Carla Scaletti）によるこの研究は、タンパク質が適切に折りたたまれて初めて酵素やシグナル伝達分子などとして機能することを解明するための重要なステップです。
誤った折りたたみがアルツハイマー病やパーキンソン病、嚢胞性線維症などの疾患に寄与することが知られています。タンパク質が細胞内の水環境でどのように最終形に変わるかを理解することが、これらのプロセスの誤りを解明する鍵となります。グルーベレ博士によると、これらの変化は「70ナノ秒から2マイクロ秒の間」で非常に迅速に起こります。
水素結合は、タンパク質内の異なるアミノ酸に位置する原子を整列させる比較的弱い引力です。折りたたまれるタンパク質は内部および周囲の水分子と一連の水素結合を形成します。その過程でタンパク質は無数の中間形態に変化し、時には行き詰まりながらも最終形に向かって進みます。
研究者たちは、タンパク質の折りたたみ過程で発生する水素結合の時間的連続をマッピングすることを目指しましたが、視覚化だけではこれらの複雑なイベントを捉えることができませんでした。そこで、データ音響化によりこれらの分子データを音に変換する手法を採用しました。
スカレッティが開発したソフトウェアは、それぞれの水素結合にユニークな音階を割り当てました。分子シミュレーションによって、二つの原子が正しい位置にあり、水素結合が形成される条件が満たされると、その結合に対応する音が再生されます。このプログラムは、何十万もの水素結合イベントを追跡しました。
音は視覚データの約2倍の速さで脳に処理され、人間は視覚的なデータよりも音の微妙な違いを検出し記憶する能力に優れているとされています。スカレッティは「私たちの聴覚システムは、周波数の小さな違いに非常に敏感です」と述べています。
タンパク質が折りたたまれた状態にほとんどの時間を費やすため、研究者たちは折りたたみや解折の瞬間を特定するために「希少性」関数も考案しました。
結果として得られた音は、どの水素結合が折りたたみを加速させ、どれが遅延させるのかを明らかにしました。最も速い遷移は「高速道路」、最も遅いものは「蛇行」、中間のものは「曖昧」と名付けられました。
水分子をシミュレーションと水素結合解析に含めることは、このプロセスを理解するために重要でした。「タンパク質折りたたみ反応のエネルギーの半分は、タンパク質からではなく水から来ています」とグルーベレ博士は述べています。「音響化によって、水分子がタンパク質の正しい位置に収まり、タンパク質の形状変化を助けて最終的に折りたたまれる様子がわかりました。」
水素結合はタンパク質の折りたたみに寄与する唯一の要因ではありませんが、これらの結合は一つの折りたたみ状態から別の状態への移行を安定化することがよくあります。他の水素結合は一時的に適切な折りたたみを妨げることもあります。たとえば、タンパク質が一つまたは複数の水素結合を形成・破壊・再形成する繰り返しのループに引っかかり、最終的にこの行き止まりから脱出して最も安定した折りたたみ状態に到達することがあります。
「視覚化では全くランダムに見えるものが、実際には音で聞くとパターンがわかるのです」とグルーベレ博士は述べています。「これは視覚化では不可能だったことが、音で簡単にわかるのです。」
グルーベレ博士は、イリノイ大学のベックマン先端科学技術研究所の教授であり、カール・R・ウーズゲノム生物学研究所の提携研究者でもあります。
この研究は、タンパク質がどのように折りたたまれるのか、特に水素結合の役割について新たな洞察を与えました。データ音響化という手法を用いることで、視覚的には捉えきれなかった複雑な結合のパターンを音として認識することができました。これにより、折りたたみの迅速さや遅延を引き起こす要因が明らかになり、将来的には折りたたみ異常に関連する疾患の理解と治療に貢献する可能性があります。音を通じて科学を理解するという新たなアプローチは、科学コミュニケーションの可能性を広げるものであり、大変興味深いものです。
