クライオ電子顕微鏡がタンパク質のダイナミクスを捉える方法

タンパク質は彫像ではなく、絶えず動き、ねじれ、折り畳み、形を変えます。この動きを理解することは、生命が分子レベルでどのように機能するかを解き明かす鍵となります。そこでクライオEMの登場です。この高度なイメージング技術により、タンパク質を静的な構造としてではなく、フレームごとに動いているタンパク質をキャプチャすることが可能になり、その機能をより明確に把握できるようになります。Longlight Technology では、Cryo-EM が構造生物学をどのように再構築しているかを直接目撃してきました。精密実験装置のメーカーとして、当社は明瞭さ、スピード、精度を重視して設計されたツールでこの科学革命をサポートできることを誇りに思っています。

(SARS-CoV-2スパイクタンパク質のコンフォメーションダイナミクスキャプチャ)

クライオ電子顕微鏡 (Cryo-EM) は、最先端の生物医学研究に広く応用されている重要な構造生物学ツールです。たとえば、SARS-CoV-2スパイクタンパク質のコンフォメーションダイナミクスを捕捉するために使用され、これはウイルス侵入メカニズムを理解するために重要であり、COVID-19パンデミック中のワクチンと中和抗体の設計を直接サポートしました(Wrapp et al., Science, 2020)。もう一つの主要な用途は、アルツハイマー病などの神経変性疾患におけるタンパク質のミスフォールディングとアミロイド線維形成の研究にあり、研究者が病理学的凝集の分子基盤を解明するのに役立ちます(Fitzpatrick et al.、Nature、2017)。Cryo-EMは、結晶化を必要とせずに、原子に近い分解能で大きく動的なタンパク質複合体を視覚化できるため、本来の状態での複雑な生物学的プロセスを研究するために不可欠です。

(Wang Xinquan氏とXiang Ye氏が率いる清華大学の研究チームは、コロナウイルスが宿主細胞に侵入する際の重要なステップを明らかにする研究を発表しました。

(アルツハイマー病とプリオン病:タンパク質の折り畳みと増殖における驚くべき類似性)

高解像度で分子を観察する

何十年もの間、科学者たちは、生体分子がどのように振る舞うかを明らかにできるツールを模索してきました。従来のクライオ電子顕微鏡 (Cryo-EM) は、研究者が繊細な生体分子を本来の水和状態で凍結し、原子に近い分解能で研究できるようにすることで、この目標に近づきました。固定された均一な構造を必要とする結晶学とは異なり、クライオEMは複雑で柔軟なタンパク質を扱うため、結晶化は必要ありません。

クライオEMは、大きくて動的なタンパク質複合体を天然のコンフォメーションで視覚化できるようにすることで、構造生物学に革命をもたらしました。クライオEMデータセットに適用される高度な画像処理技術は、単一の固定ビューを提供するのではなく、研究者は不均一な粒子集団から複数の構造状態を計算的に再構築することができます。これにより、以前は見えなかった立体配座の変動性が明らかになり、分子メカニズム、タンパク質とリガンドの相互作用、およびアロステリック調節についての洞察が得られます。

この視点には大きな意味があります。

✅複雑な酵素をさまざまなコンフォメーション状態で視覚化できるため、触媒メカニズムの解明に役立ちます。

✅一過性の中間構造は粒子の不均一性から推測でき、タンパク質の機能をより深く理解できます。

✅リガンド結合、コンフォメーションスイッチ、およびマルチドメイン配列は、生理学的pHや温度などのネイティブのような条件下で研究できます。

科学者が分子構造を非常に鮮明に視覚化できるようにすることで、クライオ EM は構造生物学における長年のギャップを埋めます。研究者は、結晶化スナップショットや間接モデルのみに頼るのではなく、平衡混合物からのみ推測されたとしても、生体分子機械の動作を研究できるようになりました。その洞察は学問的に満足できるだけでなく、実用的な価値もあります。医薬品開発から合成生物学まで、ネイティブに近い条件下で高分子構造を理解することで、よりスマートで迅速なイノベーションへの扉が開かれます。

このテクノロジーが重要な理由

タンパク質研究の世界では、多くの場合、構造の柔軟性が機能の鍵となります。多くのタンパク質は、分子に結合したり、基質を処理したり、シグナルを伝達したりするときに、コンフォメーション間を移動します。これらの異なる状態、特に膜タンパク質、ウイルス融合タンパク質、またはマルチサブユニット複合体を捕捉することは、従来の方法では困難でした。

クライオEMはそれを変えます。これにより、研究者は生体分子の自然な形状を歪めることなく、機能状態で生体分子を凍結することができます。これは、特に不安定、無秩序、または複数の構成で存在するタンパク質を研究する場合、構造生物学にとって大きな前進です。

この方法を真に革新的なものにしているのは、その実用性です。

• ナノリットルスケールのサンプル量で作業し、貴重な生物学的材料を節約します
• 長くて困難な結晶化プロセスを完全にスキップ
• ネイティブの水和状態を維持し、分子を生物学的に関連性を保ちます
• 単一のデータセットから不均一なコンフォメーションを解決

これらの利点は、ウイルスの侵入メカニズムからモータータンパク質やシグナル伝達酵素に至るまで、あらゆるものを研究するための新たな可能性を開きます。分子の正確な結合コンフォメーションを理解することが治療の成功を決定する可能性がある創薬において、クライオ電子顕微鏡は、静的な方法では見逃されがちな重要な構造的洞察を提供します。

Longlight Technologyでは、これらのニーズを念頭に置いてクライオEMシステムを構築しました。当社のプラットフォームは、超高速ガラス化、高コントラストイメージング、精密制御をサポートし、あらゆる構造の詳細をキャプチャします。酵素構造を調査している場合でも、病気におけるタンパク質のミスフォールディングを調査している場合でも、当社のツールは、目に見えないものを明確、正確、自信を持って可視化するのに役立ちます。

Longlight Technologyのツールの裏側

企業として、私たちは機械だけでなく、科学の未来にも焦点を当てています。Longlight Technology では、実際の研究ニーズに合わせたハイエンドの実験器具、ゲノム消耗品、構造生物学ソリューションを設計および製造しています。

私たちの取り組みはハードウェアを提供するだけではありません。クライオEMに関しては、以下を提供します。

• 完全なワークフローサポート – ガラス化からデータ分析まで、あらゆる段階でお客様をサポートします

• 柔軟なイメージングソリューション – 単粒子分析でも断層撮影でも

• 専門家による支援 – 当社の経験豊富なチームが、実験計画と出力の最適化を支援します。

Cryo-EM以外にも、当社のカタログには、集束超音波システム、核酸抽出キット、ChIP-seq消耗品、およびさまざまなNGS調製ツールが含まれています。すべての製品は信頼性と精度を念頭に置いて構築されており、基礎生物学から臨床診断までの分野をサポートしています。

締めくくりの言葉

私たちは分子可視化の新時代に突入しています。Cryo-EMを使用すると、研究者は間接的または静的なスナップショットだけに依存する必要がなくなり、構造の不均一性とコンフォメーション状態を原子に近い分解能で分析できます。これにより、酵素のメカニズムからワクチンの設計に至るまで、あらゆる分野で新たな発見への扉が開かれます。このテクノロジーは、生物学が実際にどのように機能するか、つまり空間、構造、複雑さを理解する上で中心的な役割を果たすと信じています。メーカーとして、当社は当社の機器がこれらの限界を押し広げるのに役立つことを誇りに思っています。Cryo-EMは、これまでアクセスできなかったタンパク質構造を研究室が明らかにするのにすでに役立っていますが、それはほんの始まりにすぎません。分子構造のフロンティアを探求する準備ができている場合は、Longlight Technology がラボにそれを行うためのツールを提供します。世界を動かす発見を築きましょう。