脳細胞を光で操る！「青いロドプシン」が拓くオプトジェネティクスの未来

 極寒環境に適応した微生物由来の希少な青いタンパク質が、細胞の分子ON/OFFスイッチを設計するための原型となりうる 

構造生物学者であるキリル・コバレフ博士（Kirill Kovalev, PhD）にとって、グリーンランドの壮大な氷河、チベット高山の万年雪、そしてフィンランドの恒久的に氷のように冷たい地下水は、単に冷たく美しいだけでなく、それ以上に重要なことに、脳細胞の活動を制御できる可能性を秘めた特異な分子の故郷なのです。EMBLハンブルクのシュナイダーグループおよびEMBL-EBIのベイトマングループに所属するEIPODポスドク研究員であるコバレフ博士は、生物学的な問題の解決に情熱を注ぐ物理学者です。彼は特に、水生微生物が太陽光をエネルギーとして利用することを可能にする、色彩豊かなタンパク質群であるロドプシンに夢中です。

 「私の研究では、特異なロドプシンを探し、それらが何をしているのかを理解しようと試みています」とコバレフ博士は言います。「そのような分子は、私たちが恩恵を受けることのできる、未発見の機能を持っているかもしれません。」

一部のロドプシンは、細胞内の電気的活動を光で操作するスイッチとして機能するように、すでに改変されています。オプトジェネティクス（光遺伝学）と呼ばれるこの技術は、神経科学者が実験中に神経細胞の活動を選択的に制御するために使用しています。例えば、酵素活性といった他の能力を持つロドプシンは、光を用いて化学反応を制御するために使用できる可能性があります。 

長年ロドプシンを研究してきたコバレフ博士は、それらを隅々まで知り尽くしていると思っていました。しかし、彼がこれまで見たことのない、新しく謎めいたロドプシンのグループを発見するまでは。

科学ではよくあることですが、それは偶然の発見から始まりました。オンラインのタンパク質データベースを閲覧中、コバレフ博士は氷河や高山といった非常に寒い環境でのみ見つかる微生物ロドプシンに共通する、特異な特徴に気づきました。「これは奇妙だ」と彼は思いました。結局のところ、ロドプシンは通常、海や湖で見つかるものだからです。 

これらの寒冷気候のロドプシンは、何千キロも離れた場所で進化したにもかかわらず、互いにほとんど同一でした。これは偶然の一致ではありえません。それらは寒冷地で生き残るために不可欠なはずだとコバレフ博士は結論付け、これを認識するために「クライオロドプシン」と名付けました。

予期せぬ青いロドプシン 

コバレフ博士は、これらのロドプシンがどのような姿で、どのように機能し、そして特に何色なのか、もっと知りたいと考えました。

色は、各ロドプシンの重要な特徴です。ほとんどはピンクオレンジ色で、ピンクとオレンジの光を反射し、緑と青の光を吸収して活性化します。科学者たちは、神経細胞の活動をより精密に制御するために、さまざまな色のロドプシンのパレットを作成しようと努めています。青いロドプシンは、組織をより深く、非侵襲的に透過する赤色光によって活性化されるため、特に切望されてきました。

驚いたことに、コバレフ博士が研究室で調べたクライオロドプシンは、予期せぬ色の多様性を示し、そして最も重要なことに、その一部は青色でした。

各ロドプシンの色は、それが吸収・反射する光の波長を決定する分子構造によって決まります。この構造のいかなる変化も、色を変える可能性があります。

「クライオロドプシンに何が起こっているかは、その色を見るだけで実際にわかります」とコバレフ博士は笑います。

 高度な構造生物学技術を駆使して、彼は青色の秘密が、元々タンパク質データベースで見つけたのと同じ、珍しい構造的特徴にあることを突き止めました。

「それらがなぜ青いのかを理解した今、私たちはさまざまな用途に合わせて合成的な青いロドプシンを設計することができます」とコバレフ博士は言います。

 次に、コバレフ博士の共同研究者たちは、培養された脳細胞でクライオロドプシンを調べました。クライオロドプシンを発現する細胞に紫外線を当てると、細胞内に電流が誘導されました。興味深いことに、研究者たちがその後すぐに緑色光を細胞に照射すると、細胞はより興奮しやすくなり、代わりに紫外線/赤色光を使用すると、細胞の興奮性が低下しました。 

「細胞の電気的活動を効率的に『ON』と『OFF』の両方に切り替える新しいオプトジェネティクスツールは、研究、バイオテクノロジー、そして医学において信じられないほど有用でしょう」と、この研究に参加したゲッティンゲン大学医療センターのグループリーダーであるトビアス・モーザー（Tobias Moser）氏は述べています。「例えば、私のグループでは、患者さんの聴力をオプトジェネティクスによって回復させることができる新しい光人工内耳を開発しています。将来の応用に向け、このような多目的ロドプシンの有用性を開発することは、次の研究の重要な課題です。」 

「私たちのクライオロドプシンはまだツールとして使える準備はできていませんが、優れた原型です。私たちの発見に基づけば、オプトジェネティクスにとってより効果的になるように操作できる、すべての重要な特徴を持っています」とコバレフ博士は言います。

進化が生んだ紫外線防御機構 

フランクフルト・ゲーテ大学のヨーゼフ・ヴァハトヴァイトル（Josef Wachtveitl）氏が率いる共同研究者たちが高度な分光法を用いて示したように、ハンブルクの雨の冬の日でさえも、クライオロドプシンは太陽光にさらされると紫外線を感知することができます。ヴァハトヴァイトル氏のチームは、クライオロドプシンが実際には光に対する応答がすべてのロドプシンの中で最も遅いことを示しました。これにより、科学者たちは、これらのクライオドプシンが、微生物に紫外線を「見せる」光センサーのように機能するのではないかと疑いました。これは他のロドプシンでは前代未聞の特性です。 

「本当にそんなことができるのか？」とコバレフ博士は自問し続けました。典型的なセンサータンパク質は、細胞膜から細胞内部へ情報を伝達するメッセンジャー分子とチームを組みます。

コバレフ博士は、スペインのアリカンテの共同研究者たち、そして彼のEIPOD共同指導教官であるEMBL-EBIのアレックス・ベイトマン氏（Alex Bateman）と共に、クライオロドプシン遺伝子には常に未知の機能を持つ小さなタンパク質をコードする遺伝が付随していることに気づいたとき、その確信を深めました。これらはおそらく一緒に遺伝し、機能的に関連している可能性があります。

 コバレフ博士は、これが失われたメッセンジャーではないかと考えました。AIツール「AlphaFold」を用いて、チームはこの小さなタンパク質の5つのコピーがリングを形成し、クライオロドプシンと相互作用することを示すことができました。彼らの予測によれば、この小さなタンパク質は細胞内でクライオロドプシンに対して構えています。彼らは、クライオロドプシンが紫外線を検出すると、この小さなタンパク質が離れてこの情報を細胞内に運ぶ可能性があると考えています。

 「クライオロドプシンからの光感受性シグナルが細胞の他の部分に伝達される新しいメカニズムを明らかにできたことは、非常に魅力的でした。未解明のタンパク質の機能が何であるかを知ることは、常にスリリングです。実際、私たちはクライオロドプシンを含まない生物にもこれらのタンパク質を見出しており、おそらくこれらのタンパク質がはるかに広範な役割を担っていることを示唆しています。」

なぜクライオロドプシンがその驚くべき二重の機能を進化させたのか、そしてなぜ寒い環境だけでなのかは、謎のままです。

 「私たちは、クライオロドプシンがそのユニークな特徴を進化させたのは、寒さのためではなく、むしろ微生物に有害となりうる紫外線を感知させるためだと考えています」とコバレフ博士は言います。「山の頂上のような寒い環境では、バクテリアは強烈な紫外線に直面します。クライオロドプシンはそれを感知するのを助け、それによって身を守ることができるのかもしれません。この仮説は、私たちの発見とよく一致しています。」

 「このような並外れた分子を発見することは、しばしば遠隔地への科学探検なしには不可能でしょう。そこに生息する生物の適応を研究するためにです」とコバレフ博士は付け加えました。「私たちはそこから多くのことを学ぶことができます！」

ユニークな分子へのユニークなアプローチ

クライオロドプシンの魅力的な生物学を明らかにするために、コバレフ博士と彼の共同研究者たちは、いくつかの技術的な課題を克服しなければなりませんでした。

 一つは、クライオロドプシンが構造的にほぼ同一であり、単一の原子の位置がわずかに変わるだけで異なる特性をもたらしうることでした。このレベルの詳細さで分子を研究するには、標準的な実験方法を超える必要があります。コバレフ博士は、オランダのフローニンゲン大学のアルベルト・グスコフ氏（Albert Guskov）のグループにおけるクライオ電子顕微鏡（クライオEM）とEMBLハンブルクのビームラインP14でのX線結晶構造解析を、光によるタンパク質活性化と組み合わせる、4D構造生物学アプローチを適用しました。

 「私のプロジェクトを可能にしてくれたユニークなビームラインのセットアップがあったので、私は実際にEMBLハンブルクでポスドクをすることを選びました」とコバレフ博士は言います。「P14ビームラインチーム全体が協力して、私の実験に合わせてセットアップを調整してくれました。彼らの助けに非常に感謝しています。」

 もう一つの課題は、クライオorドプシンが光に非常に敏感であることでした。このため、コバレフ博士の共同研究者たちは、ほぼ完全な暗闇の中でサンプルを扱うことを学ばなければなりませんでした。 

この研究は、2025年7月4日に『Science Advances』誌に掲載されました。オープンアクセスの論文タイトルは「CryoRhodopsins: A Comprehensive Characterization of a Group of Microbial Rhodopsins from Cold Environments（クライオロドプシン：寒冷環境由来の微生物ロドプシン群の包括的キャラクタリゼーション）」です。

クリオロドプシンは、寒さを好む微生物に見られるタンパク質群である。クリオロドプシンは、細胞の電気活動をオン・オフする驚くべき能力を持っている。(Credit：Daniela Velasco/EMBL）

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