第9章 プロセシング今後の展望

3. フェムト秒レーザーによる有機分子・タンパク質の結晶化

著者:増原 宏、細川 陽一郎

1. はじめに

 蛋白質の機能を明らかにしていく上で、その単結晶を作製しX線回折により結晶構造解析を行い分子構造を解析することが必要不可欠である。現在、数10ミクロンの高品質単結晶が作製できれば、高輝度放射光を用いることにより、その分子構造を同定できるようになってきているが、この大きさの単結晶を作製することすら難しい有機高分子や有機超分子、蛋白質が多く存在する。特に蛋白質は、分子間の相互作用が弱く、分子構造が複雑で多種のコンフォメーションが可能であり、かつ蛋白質分子間に多くの水分子が含まれているため、結晶化は一般的に困難である。
 単結晶を育成するためには、まず過飽和溶液中に単一の結晶核を析出させる必要がある。さらに、高品質の単結晶を育成するためには、できるだけ濃度が低い過飽和溶液で単一の結晶核を析出させ、ゆっくりと結晶成長させることが重要である。しかしそのような条件では高い確率で結晶核を析出させることが難しい。そのため、電場1〜7)、磁場6〜9)、光などの外部摂動を加えて、濃度が低い過飽和溶液に強制的に結晶核を析出させる方法が新しいアプローチとして提案されている。その中でも光を摂動とする方法は、局所的にかつ非接触に溶液に刺激を与えることができ、数個単位で結晶核の発生を制御する方法になりうる可能性があり、注目されている10)
 過飽和気体が光によって凝集する過程について、1869年にTyndallらによって初めて報告された11)。それ以来、大気化学の研究分野を中心として、気相の光化学反応による物質の凝集過程について研究が進められてきた。それから100年の時を経て、1960年にレーザーが発明され、その強力な光電場により過飽和溶液中で結晶を発生できることが、1996年にGaretzらによって発見された12)。それ以来、レーザーによる結晶化が注目を浴び、研究がおこなわれるようになってきている。中でもフェムト秒レーザーは、光による有機・蛋白質の結晶化技術に新しい展開をもたらそうとしている13)
 現在、蛋白質の結晶化におけるフェムト秒レーザーの優位性が明らかにされつつあり14〜16)、これらの結晶化のメカニズムの詳細を明らかにしようとする取り組みがなされている。本節では、その様な背景の下、これまで報告されている光による結晶化のメカニズムを説明し、さらにはフェムト秒レーザーのもたらす新しい可能性について説明する。

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