働く酵素の姿をミリ秒で捉える
—SACLAが拓く新しい時分割タンパク質構造決定法の可能性—

（所属・役職等は全て研究当時のもの）
村川武志：大阪医科薬科大学 医学部 助教
鈴木 守：大阪大学 蛋白質研究所 准教授
福井健二：大阪医科薬科大学 医学部 助教
桝田哲哉：龍谷大学 農学部 教授
溝端栄一：大阪大学 大学院工学研究科 講師
角南智子：量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 主幹研究員
登野健介：高輝度光科学研究センター XFEL利用研究推進室 チームリーダー
南後恵理子：東北大学 多元物質科学研究所 教授，
　　　　　　理化学研究所 放射光科学研究センター チームリーダー
當舎武彦：兵庫県立大学大学院 理学研究科 教授
矢野貴人：大阪医科薬科大学 医学部 教授
谷澤克行：大阪大学 産業科学研究所 招へい教授
岡島俊英：大阪大学 産業科学研究所 准教授

銅含有アミン酸化酵素は様々な生物種に広く存在し，アミン類をアルデヒドとアンモニアに分解する活性を持っています。この酵素の活性中心には，銅イオンと補酵素トパキノン（TPQ）を含んでおり，ヒトの血清中の本酵素は糖尿病の発症にも関与しています。これまで，本酵素は触媒過程で，補酵素TPQが大きく構造変化することが知られていましたが，どのような仕組みで構造変化が起きるのかその詳細な仕組みは不明なままでした。そこで，この疑問を明らかにするため，研究グループは，微生物由来の銅含有アミン酸化酵素を用いて数μmサイズの微結晶を作成し，SACLAにて二液混合法を用いた時分割SFXを実施しました。酵素微結晶懸濁液と基質溶液の混合からXFEL照射までの時間（遅延時間）が異なる複数のデータセット（22 msから100 msまで計9セット）を取得しました。遅延時間の増加に伴い，補酵素TPQとその周辺残基や水分子の電子密度の形状と占有率が変化していることを観測し，反応時間軸に沿った各反応中間体の構造変化を明確にとらえることに成功しました（図1）。

さらに，本酵素の触媒過程での構造変化は活性中心のみで起こると従来は考えられていましたが，基質結合に伴いドメインレベルでの構造変化が起き，これに連動して活性中心での構造変化が進行することが明確になりました（図2）。

このようなタンパク質全体の僅かな動きを検出することは従来の解析法では困難であり，本研究の大きな成果といえます。

今回の研究では，酵素の精緻な動きの一端を原子レベルで明らかにしています。酵素科学における重要な研究テーマの一つに，新しい機能性を持つ酵素の分子設計が挙げられますが，今回の成果は，この分野に大きく寄与する可能性があります。一般的に，酵素は多段階の反応ステップを経由し常温常圧で効率良く働きますが，各ステップにおいて素早く最適な構造をとる必要があります。その動きの原理や基質が化学変化した中間体の構造を理解することは，各種の有用酵素の設計・開発にも大きな進展をもたらすと期待されます。

高品質の微結晶を大量に得ることは非常に困難でしたが，その苦労のかいあって，想像以上に多くの知見が得られました。二液混合法を用いた時分割SFXは技術的には困難な課題も伴いますが，その原理から多くの酵素反応に適用が可能であり，今回の成果は，多くの酵素科学者にとっての夢である酵素反応のflipbook（パラパラマンガ）作りへの重要な第一歩といえます。