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

2025-12-19●工学系産業科学研究所准教授岡島 俊英

発表のポイント

酵素の反応過程をミリ秒レベルで可視化することに成功
独自の二液混合装置による時間分解結晶構造解析で，酵素が構造を変化させる仕組みを解明
新しい時分割タンパク質構造決定法として，生命科学研究の可能性を大きく広げると期待

発表概要

大阪医科薬科大学，大阪大学，東北大学，龍谷大学，大阪公立大学，量子科学技術研究開発機構，神戸大学，理化学研究所，高輝度光科学研究センター，京都大学，兵庫県立大学などから構成される研究グループは，X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」を用いた連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）により，銅含有アミン酸化酵素の触媒過程の可視化に成功しました。本研究では，SACLAが開発を主導した二液混合装置が提供されました。本装置を用いることにより，酵素と基質が反応を開始してから数十から数百ミリ秒経過後の，反応時間軸に沿った様々な中間体の構造を決定しました。得られた構造情報から，本酵素が触媒過程を進行させる際に自身の構造を変化させるメカニズムが明らかとなりました。二液混合法によるSFXは汎用性が高く，酵素に加え各種の重要タンパク質が働く際の速い構造変化の追跡にも応用可能です。本成果は，生命科学研究の可能性を大きく広げる画期的なものといえます。
本研究は英国科学誌「Nature Communications」に12月18日(木)19時（日本時間）に公開されました。

研究の内容

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）。



図1. 触媒過程での補酵素TPQの構造変化
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）。



図2. 触媒過程での銅含有アミン酸化酵素全体の構造変化
基質結合に伴いドメイン２(D2)とドメイン3(D3)が矢印に示す方向に収縮する。本酵素はホモ二量体構造をもちそれぞれのD2，D3で同様の動きがみられる。
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。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

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。

特記事項

本研究成果は、2025年12月18日（木）19時（日本時間）に英国科学誌「Nature Communications」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Real-time capture of domain movements during copper amine oxidase catalysis by mix-and-inject serial crystallography”
著者名：Takeshi Murakawa*, Mamoru Suzuki, Kenji Fukui, Tetsuya Masuda, Eiichi Mizohata, Ikuko Miyahara, Ikuya Kurauchi, Taiki Murakami, Himawari Matsunaga, Yoshiki Montawa, Norie Nakajima,Toshinori Oozeki, Katsuki Sakai, Teikoku Son, Takehiro Higuchi, Tomoko Sunami, Tetsunari Kimura, Kensuke Tono, Tomoyuki Tanaka, Michihiro Sugahara, Toshi Arima, Luo Fangjia, Jungmin Kang, Rie Tanaka, So Iwata, Eriko Nango*, Takehiko Tosha, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, and Toshihide Okajima*
*は責任著者
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67230-5
なお，本研究は，日本学術振興会科学研究費助成事業，創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム，および物質・デバイス領域共同研究拠点事業の支援を得て行われました。