LF対談
生命の本当の仕組みは、
原子レベルの構造変化を見ないとわからない No.66（2012.6）
大阪大学大学院生命機能研究科教授
難波啓一 氏
公益財団法人 千里ライフサイエンス振興財団
岸本忠三 理事長
繊維状の分子集合体の構造を原子レベルで見るための方法を開発しようと留学
岸本 日本学士院賞・恩賜賞の受賞、おめでとうございます。
難波 ありがとうございます。
岸本 CGのビデオで説明されたりするとよくわかりますよね。もう何年前になりますか、サルモネラ菌のべん毛がスクリューのように回って、しかも反転させて方向を変えるとかいう先生のビデオを最初に見たときはオオーッと思いました。阪大の総長をしていた頃には、外国の人が来たりしたときに何か見せようと思ったら、難波先生のところに行ってもらえと言っていました（笑）。先生は阪大の基礎工学部の出身ですけど、どうしてこういう道に入られたんですか。
難波 高校の生物の先生がカビやキノコの菌を取ってきて培養するのが趣味の先生で、そういうのを授業でしょっちゅう話してくれたんです。面白そうやなと思ってその先生が指導する生物部に入ったんですけど、受験のときにその先生が基礎工学部に生物工学科っていうのがあって面白そうだよとおっしゃって。資料を見ると、まだ新しくて3年ぐらいしか経っていないし、工学もあり、物理もあり、生物もあり、脳科学もありといろいろ面白いことが書いてあった。それで入ってみたら、大沢（文夫）先生、三井（利夫）先生…先生方もまだ若かったし、すごくオープンな学科でした。僕らが入ったのは学園紛争の直後でまだそんなに授業がなかったんです。談話室って大きな部屋がありまして、授業がないからそこに行くと先生方にもいろんな話が普通に聞けて、研究室にも気軽に入っていける。いろんな分野に興味を広げていくことができた中で、結局、学位論文のテーマは筋肉の収縮のメカニズムを構造から見ようということに決めました。
岸本 柳田（敏雄）先生と同じ？
難波 はい。でも柳田先生は大沢研におられて、僕は三井研でした。三井研はX線構造解析をやっている研究室だったので、柳田先生は光学でしたけど、僕はX線で分子構造まで見たいと思ってやりはじめたんです。だけど、筋肉は複雑すぎてどうやっても分子構造まで見れないので、結局、アメリカに留学して…。
岸本 アメリカは長かったですよね。
難波 1981年から5年ぐらい行っていました。
岸本 アメリカでやっておられたのが…。
難波 タバコモザイクウイルスという棒状のウイルスの構造解析。筋肉の中のアクチンって繊維ですよね。タンパク質が繊維状につながった構造を原子レベルで見ようと思っても、繊維の長さがまちまちなので結晶にならなくて見ることができない。それをどうやったら見られるかを勉強するためにタバコモザイクウイルスを。
岸本 あれも繊維ですか。それをX線で。
難波 長さはだいたい決まっているけど、繊維構造です。X線よりも電子顕微鏡のほうが全体が見られるからいいですが、その頃はまだ「焼いた干物」を見ている状態でしたから。真空中に入れて乾かしてしまうし、電子線を当てたら焼けてしまうしと。
岸本 凍らして低温でやるというのは、その後のことですね。
難波 はい。とにかく繊維状のものの構造を原子レベルで見るための方法を開発せんといかん。それに一番いいのは、その頃はタバコモザイクウイルスだったんです。1950年ぐらいからX線で解析する仕事が始められ、僕はその構造解析の歴史の最後の5年間にいたんですけど、いろいろ工夫した結果、原子レベルの構造が見られるようになりました。
タンパク質のモーターの仕組みを人工的なモーターに応用したい
岸本 それで日本に帰ってこられた。
難波 大沢先生が「宝谷プロジェクト」を立ち上げてくださって、僕はグループリーダーにしていただいて、筑波に借りた研究室で5年間過ごしました。
岸本 そのときにサルモネラ菌の…。
難波 べん毛の仕事を始めました。べん毛がどうやってできるかとか、らせんの左巻き、右巻きとか。
岸本 CGのビデオを見ると印象的ですね。
タンパク質をべん毛の先に順番につなげていきますよね。
難波 髪の毛みたいに根っ子で伸びないんですね。べん毛の中を通ってタンパク質を先端まで運んで繊維状にくっつけていく。ちょうど煙突を積み上げるように。
岸本 そのタンパク質の繊維構造を調べていったら…。
難波 どうやってくっつくかが見えて。
岸本 それは結晶化するわけですか。
難波 繊維状につながるのに大事な部分をちょっとだけ切ってやると繊維にならないので、それは結晶になります。だけど、それではどういうふうにしてタンパク質を繊維状にくっつけているかはわからない。繊維状のものはギューッと遠心で濃縮してやると、液晶みたいに並びますから、X線を当てると結晶のパターンみたいなものが映る。結晶ほど簡単ではないけど、その解析が一応できるようになったのがタバコモザイクウイルスでした。
岸本 それをべん毛に応用して。
難波 応用しつつ、１つひとつのタンパク質は結晶化してX線で解析して、それを組み合わせるというのが80年代後半の僕らの仕事でした。それでだんだん形がわかってきた頃に、京大の藤吉（好則）さんが極低温にして電子顕微鏡で見るという技術を開発されて。
岸本 「焼いた干物」でなしに…。
難波 生のまま凍らせて見えるようになってきた。藤吉さんのところへときどき行って共同研究を始めました。その頃にパナソニックから国際研究所を作るから来ないかと誘われた。5年間という期限はつけるけど、会社のことは何も気にしなくていいからと言ってくれたんです。それで藤吉さんと一緒に研究させてもらいました。
岸本 その後、2002年に僕が総長のときに生命機能研究科を作って、そこに来ていただいた。
難波 2001年に大阪科学賞をいただいたときに、先生ともお話させて頂きました。生命機能の話はその頃か、その後に。
岸本 伸びていったべん毛の一番根元には、べん毛をスクリューのように回すモーターがあるわけですよね。
難波 はい。回転モーターがあって、1秒間に300回転ぐらい回ります。F1レースの車のエンジンより速いくらい。あんな小さなものがね。
岸本 そのエネルギーは？
難波 水素イオンの流れを使って。
岸本 普通の電気のモーターと仕組みは違うわけですよね。
難波 電気のモーターはプラスとマイナスの極が切り替わって、その引力や反発力を使って回っていますよね。そういう電磁場を使っているわけではない。タンパク質のモーターにも固定子と回転子がありまして、固定子のほうに水素イオンが流れるチャネルがある。で、固定子と回転子のタンパク質がくっついたり、離れたりして回る。それはだいたいわかっています。タンパク質の構造って、どっちかに動きやすいという方向が必ずあるんですね。しかも体温の熱由来でいつも揺らいでいる。それをうまく使うと回転モーターができるみたいな。揺らぎながらどっちかに動くといったら、エネルギーはいらないということにもなるけど、ミクロの世界ではけっこうそういうことが観測されていて、だからこそエネルギーをたくさん使わなくていいという仕組みのようです。もともと揺らいでいるから。
岸本 そういうモーターを人工的に作れないんですか。エネルギーもほとんどいらないと。そしたら、パナソニックにしても役に立ったということになって（笑）。
難波 そんなに簡単にはいきませんけど、僕らもずっとそれが応用できないかと考えています。だけど、本当の仕組みがまだちゃんとわかっていない。水素イオンが流れるチャネルの構造もわかっていないし。おおまかな形はわかっているけど、実際に水素イオンが流れるときに起こっているのはチャネルの中の原子の配列がほんの少し変わることですから、原子レベルの構造変化を見ないと本当の仕組みはわからないし、そういう省エネのデバイス、装置を作るのも難しい。
岸本 将来的にはどうですか。
難波 僕はできると思います。ほとんどエネルギーを使わなくていい装置がせっかく自然界にあるんだから、それはお手本にせんといかん。そのためには、柳田さんがやっておられるように光学顕微鏡を使って1分子のタンパク質が細胞の中でどういうふうに動いているかを見ないといかんし、僕らがやっているように分子の集まりの中で原子がどう動いているかも見ないといかんと。僕らの体も原子、分子レベルで設計されたものが積み上がって、たった100ワットぐらいのエネルギーで動いています。脳も30ワットぐらいで動いている。こんなにすごいものがたった30ワットで動く。なんで真似できんのかな（笑）と思いますね、本当に。
難波啓一 氏
大阪大学大学院生命機能研究科教授
1952年、兵庫県生まれ。74年大阪大学基礎工学部卒業、80年同大学院基礎工学研究科修了。81～86年米国ブランダイス大学、バンダビルト大学に留学。86年新技術事業団ERATO宝谷超分子柔構造プロジェクト・グループリーダー。92年松下電器産業国際研究所リサーチディレクター。97年科学技術振興事業団ERATO難波プロトニックナノマシンプロジェクト・プロジェクトディレクター（兼任）。99年松下電器産業先端技術研究所リサーチディレクター。02年大阪大学生命機能研究科教授、10年研究科長。02年科学技術振興機構ICORP超分子ナノマシンプロジェクト研究総括（兼任）。専門分野は、生物物理学、構造生物学。細菌のべん毛のモーターなどの構造・機能解析を通して、生体超分子ナノマシンの自己構築、構造変換などの解明に貢献。受賞は、大阪科学賞、TEPIAハイテク・ビデオ・コンクール最優秀作品賞・TEPIAグランプリ、日本学士院賞・恩賜賞ほか。
細胞の中のタンパク質の構造を直接見れる可能性が出てきた
岸本 それで今やっておられるのは筋肉ですか。
難波 はい。学生の頃にやりたかった筋肉の研究を2、3年前から。筋肉ってミオシンの繊維から出ている頭が、アクチンの繊維とくっついたり離れたりすることによって収縮しますよね。アクチン1つひとつの構造、ミオシンの頭の構造もわかっているけど、それがくっついたり離れたりしているのを見るというのはまだ全然できていない。それがやっと藤吉さんと20年、電子顕微鏡のいろんな技術開発をしたおかげで、細いアクチンの繊維がけっこうくっきり見えるようになってきた。2、3年前に学生の頃の宿題をやりたいなと思って、学生だった藤井さんにちょっとアクチンをやってみようかと頼んだら、2週間も経たないうちに、こうなっていましたと持ってきたんです。それがまあきれいにアクチンの構造が繊維の中に見えていて、一昨年の暮れに『Nature』にも載りました。それぐらいの技術が今はできてきたので、アクチンの上でミオシンの頭がくっついたり離れたりするときに、どんな構造変化をしているかも、原子レベルでもうすぐ見えるようになります。そうすると、どうやって小さいエネルギーで動いているかも…。
岸本 筋肉のほうはATPですね。
難波 そうです。
岸本 そういうふうに見えないものが見えるようになってきた。自由電子レーザーというのもありますよね。
難波 理研のSACLA（さくら）ですね。結晶にせずにSACLAのX線レーザーを当てると、モヤモヤと雲みたいな回折パターンが出る。昔はそんなものは解析できなかったけど、干渉性の高いレーザー光を当てて出てくる回折像を電子顕微鏡と同じような像に戻せるようになったんです。今、分解能を上げられないか、やろうとしています。つまり、結晶化せんとあかんかったものが生のままで見えると。
岸本 結晶化せずに、どんなものでも…。
難波 見えるようになる可能性が出てきた。
電子線は物質との相互作用が強いので、あまり分厚いものは通りません。X線は透過性が高いので、細胞の中のいろんなタンパク質の構造を直接見れる可能性がある。電子顕微鏡にできないことができる可能性がある。まだやっと実験が始まったばかりなので、どんなデータがとれるか、本当にこれからです。僕は側方支援しているような立場ですけど。
岸本 それが可能になったら、先生は何を見たいと思っていますか。
難波 細菌の細胞中で働いているべん毛のモーター。それだけを取りだすとやっぱりいろんなものが外れますから。べん毛が部材のタンパク質を輸送している最中の様子や、回転している最中の様子…その一瞬、一瞬の機能している状態そのままを見たいと。あと筋肉の中でどうやってタンパク質がくっついたり、離れたりしているかを見られたら、非常にうれしいですね。
岸本 最初はX線解析で、次は極低温の電子顕微鏡で、今度は自由電子レーザーで見られるようになるわけですね。
難波 生命科学ではみんな細胞の中で何が起こっているか、その現場を見たいと思われますよね。今後を楽しみにしていただいていいと思います。僕は筋肉とかタバコモザイクウイルスとかべん毛とか、技術開発のこともあって、いくつか違うテーマをやっていますけど、実は一昨年、大沢先生の88歳の誕生日にお祝いの会をしようと思って資料を集めていたんです。そしたら、学生の頃に大沢先生の講義を書いたノートが見つかりまして、そういうテーマに関連した話がみんな書いてあるんです。僕はすっかり忘れていたけど、えらい刷り込まれていたんですね。
岸本 大沢先生のどんな講義？
難波 僕は大学のときに面白かった講義を2つ覚えていまして、1つは中村先生の統計熱力学の講義。もう１つは大沢先生の分子生物学入門みたいな話だったと思うんですけど、その2つがすごく面白かったということだけは覚えている。
岸本 大沢先生も、昔に夢見たことが現実になってきたとこの間、学士院でえらい熱入れて、難波先生の研究のことを話されておられました（笑）。
難波 よく考えてみたら、そのときに大沢先生から聞いた話をずっとやっているなと思いまして。
岸本 その時代と今を比べてみると、学生の熱心さとか、どう思われますか。大沢先生の講義が感動を与えた。学生のほうも一生懸命やった。この間まで生命機能研究科長をやっていた先生としては。
難波 それが一番悩みの種ですね。最近の学生さん、すごく大きな夢を持って入ってくる人ってあまりいませんよね。なかには元気な子もいますけど、いかに研究科を魅力的にして、夢を持った学生さんに集まってもらえるようにするか、柳田さんともよく話しているんです。幸い、情報通信研究機構が吹田キャンパスに建物を建ててくれていまして、脳と情報通信を融合した研究をそこでやろうと。それから理研の生命システム研究センターに入ってもらう建物の予算もつきましたので、生命機能研究科が中心になって、脳の研究と分子細胞レベルの研究を１カ所でやろうということになりました。そういう拠点を作ることで、国内外を問わずに優秀な学生さんが来てくれるようにならないかと思っています。
岸本 免疫の分野は世界でもいい線いっているんですけど、先生のやっておられる分野はどうですか。
難波 今、アクチンの繊維構造を電子顕微鏡で僕らぐらいまで見れるところはないですね。タバコモザイクウイルスはしっかりした構造ですから、X線でも電子顕微鏡でも原子が見えるくらいの分解能が出るんです。アクチンは柔らかいし、細いからまだ原子が見えるようにはなっていないけど、できたらそういうものがちゃんと見えるような技術を作り上げたい。たとえば、東京スカイツリーの上から眺めて、あの人は何をしている、この人は何をしているとわかるぐらいに。今はそんなの無理ですよね。だけど、それができなかったら、細胞の中で何が起こっているか、やっぱりわかりませんから。
岸本 今やったらどれぐらいまでわかりますか。
難波 建物の構造ぐらいまではわかる。
中で人が何をしているかはわかりません。
だけど、本当はそれが見たいと。
岸本 とにかく先生もそういう分野でトップを走っている？
難波 そう思いますけど、最先端で仕事をさせていただけるということは本当にありがたいと思っています。先生に生命機能研究科に誘っていただいて。
岸本 だから、生命機能研究科はどんなことをしてるんやとなったら、先生の研究を見せろと（笑）。今日はどうもありがとうございました。
EYES
超分子ナノマシン、細菌のべん毛の自己形成や
回転モーターのメカニズムの解明に挑む
X線や電子顕微鏡などにより、サルモネラ菌のべん毛の構造・機能を解析。
生体の分子機械特有の原理に迫る
細胞の活動は、タンパク質や核酸などの生体高分子の働きによって支えられています。さらに細胞内では多種の生体高分子が集合して複合体としても働いています。そうした複合体は超分子、分子機械、超分子ナノマシン（ナノは100万分の1ミリ）などと呼ばれますが、細胞の運動に関わる超分子ナノマシンの典型的なモデルともいえるのが細菌のべん毛です。
細菌の多くは体表に生えたべん毛をスクリュープロペラのように回転させて泳ぎます。べん毛はタンパク質がらせん状に積み重なった繊維で、その根元には回転モーターがあります。直進時には数本あるべん毛が束になり、ゆるやかに左巻きのらせんを描いて回転します。方向転換時には回転モーターが反転して、左巻きのらせんが右巻きに変わることによって束がほぐれ、一時的に浮遊して方向を変えます。サルモネラ菌のべん毛の構造・機能の解析を通して、このべん毛の自己形成や回転モーターのメカニズムの解明に取り組まれているのが、今回、LF対談にご登場いただいた難波啓一氏（大阪大学大学院生命機能研究科教授）です。
難波氏は、大阪大学大学院基礎工学研究科修了後、筋肉などタンパク質が積み重なった繊維状の構造をX線回折法により解析する方法を開発するために、1981～86年米国ブランダイス大学、バンダビルト大学に留学。タバコモザイクウイルスの繊維構造を解析する方法の開発に貢献されました。帰国後は、そのX線繊維回折法と従来のX線結晶構造解析法、さらには京都大学の藤吉好則氏が開発された極低温電子顕微鏡法などにより、サルモネラ菌のべん毛の構造・機能の解析に取り組まれ、べん毛がどのように自己形成して伸びていくか、方向転換時にはどのように構造が変化するかなどを明らかにされました。
たとえば、べん毛はどのように伸びていくか――。べん毛は、回転モーターなどを含めると約30種類のタンパク質が集合した複合体で、大きく分けると細長く伸びた繊維、フック、基部体から構成されます。フックというのは、回転モーターの本体である基部体と繊維を連結しているもので、ねじれに強く、回転をスムーズに繊維に伝えます。繊維を構成するタンパク質（フラジェリン）は、基部体に結合した輸送装置によって、繊維、フック、基部体を貫通する穴に送り込まれ、繊維の先端まで運ばれます。先端にはキャップ構造と呼ばれるものがあり、これがないと運ばれたタンパク質は先端に積み重ねられないようになっています。こうしたことが、明らかになったのです。
回転モーターのメカニズムの解明も進んでいます。べん毛の回転モーターは、水素イオン（プロトン）の流入をエネルギー源として、基部体にある回転子と固定子が相互作用し、毎秒300回転という高速で回転子が回ります。その際、回転子側が26個のタンパク質で構成されていることから、見かけは滑らかでも一周26回のステップを踏んで回転していることなどがわかってきました。べん毛の回転モーターは、人工のモーターと比べ、極めて高いエネルギー効率で動いています。そのメカニズムが人工的に応用できないか、大いに注目されます。
細菌のべん毛など、生体の分子機械特有のメカニズムを理解するには、その立体構造を原子レベルで解析する必要があります。そのためには、X線回折法や電子顕微鏡法などによる構造解析の発展が欠かせません。難波氏は、そうした技術の向上にも尽力されてきました。今後の研究の進展が期待されます。