I. はじめに

このプロジェクトは本年発足したばかりなのにもう「構造生物学センターへの 発展をめざして」等という夢物語を書くのはけしからんとおっしゃる方もいると は思いますが、構成員の皆様と話をしていると、やはりもっと総合的な研究体制 を整えた、ものに発展すべきではないかと真剣に考えるようになりました。今は 夢物語かも知れませんが、まずは私の個人的な夢物語を文章にし、それをたたき 台にして多くの方々が議論を戦わせ、衆知を合わせてよりより研究体制を建設し て行ければ大変有り難いと思い、未熟では有りますが私の夢物語をまとめました。

�U．TARA坂部プロジェクト;「放射光X線による生命機能維持物質の結晶構 造解析と利用基盤に関する研究」

1. 研究目標

本プロジェクトの研究目的は「生物の個体維持と存続は生命科学全般に於ける 最も基本的な問題であり、そこに関与している主な物質は蛋白質と核酸である」 という基本姿勢に立脚し、個体維持と存続を機能的な側面から理解するために、 その基礎として最も重要と考えられる関連物質の3次元構造をX線結晶構造解析 法により決定すること、並びにそれに関する最先端の技術開発を行うことを目的 とする。更に得られた構造を基礎に「生命体の制御機構を研究する」。またコン ピューターグラフィックスによる分子設計等を利用して、「農業、医療、工業へ の利用研究」の基盤作りを行うことである。

2. X線結晶構造解析と放射光

近年蛋白質結晶構造解析は目覚ましい発達を遂げている。これには試料の調整 や結晶化技術の発達、電子計算機の発達、ソフトの発達等に負うことが大きいが、 もう一つ極めて大きい要因としてX線源として放射光(SR)の出現を忘れては ならない。即ち、SRの出現により測定時間が桁外れに短くなっただけでなく、 それまで測定不可能であった格子定数の大きな蛋白質結晶や不安定な蛋白質の解 析が可能になった。今や放射光なしには蛋白質X線結晶構造解析は考えられない と云っても過言では無い。

2.1 諸外国では

諸外国の大学や研究所とSR施設との関係を見るに、まずヨーロッパ共同体と して建設されたヨーロッパ分子生物学研究所(EMBL)はドイツのSR施設で あるDESYの敷地内にあり、また同研究所はフランスのグルノーブルにあるヨ ーロッパ共同放射光施設(ESRF)の敷地内にもあって強力な協力体制をとっ ている。更に大学との関係を見ると、米国シカゴ大学はAPSと、Come11大学は CHESSと、Wisconsin大学はSRCと、Stanford大学はSSRLと、伝統有る パリ大学はLUREという風に放射光施設と強力な協力関係を結び大きな成果を 上げている。

2.2 筑波大学の有利性

筑波大学は現時点で、X線領域の放射光が利用できる我が国唯一の共同利用施 設である高エネルギー物理学研究所・放射光実験施設(PF)と僅か5〜6キロ メートルの位置にある。これは諸外国の例に見られる放射光利用の最も有利な立 地条件に近い。しかもPFは我が国唯一と云うだけでなく蛋白質結晶解析用デー タ収集と云うことに関しては世界最高の施設である。

2.3 PFの現状と問題点

�@PFの現状

PFには約60の実験ステーションがあるが、その内蛋白質X線結晶解析用に は偏向電磁石から放出されるビームを利用したBL6A及びBL18Bと命名 されている2つの実験ステーションが割り当てられている。ここに1995 年春期の時点で国内91、海外より51件、合計すると142件の有効課題が 走っている。国別にすると、日本が91件、米国17件、オーストラリヤ10 件、英国とカナダが共に6件、中国5件、ドイツ2件その他イスラエル、韓国、 ニュージーランド、ロシヤ、スエーデンが各1件、と極めて国際的である。

�A時問不足

しかしたった2つの実験ステーションにこれだけの課題が押し寄せてくると実 験時間が少なくなり、現に1課題当たり年に2日しか実験時間が配分されない ことになり、事態は深刻である。実験時間の不足は考え方に拠れば、PFの理 解を得ることができ、更に建設費を得ることが出来たとすれば、即ち実験ステ ーションの増設が可能になれば解決できる。しかし現状ではビームライン建設 可能なポートの98%が既に埋まっている。その中には老朽化した実験ステー ションもあり、必ずしも時代に合ったものとは云えない、そこでPFではスク ラップ&ビルドを行う計画が進んでいる。この計画により蛋白質結晶解析用の ステーションを建設出来る余地が出来る。これも大変なことではあるが、蛋白 結晶解析用実験ステーションの増設は不可能ではない。現にこの適用を受けて、 TARA用ビームラインの建設が認められ、平成8年5月中の利用開始を目指 し建設中である。

�Bマルチポールウイグラーラインの必要性

現状のもう一つの問題点は更に短波長までの強力X線が得られるマルチポール ウィグラー(MPW)の挿入された実験ステーションが全く利用できないこと である。諸外国のSR施設の場合、蛋白のグループはMPWの入ったビームラ インを多波長異常分散法(MAD)や時分割ラウエ法に利用している。

2.4 PFが遭遇している難問と本プロジェクトの関係

�@PFの最大の問題点
PFではもっと多くの難問が時間不足の蔭に隠されている。例えば、

1. 遠くから結晶を運んできたため、途中で結晶が悪くなって折角配分された時間 が無駄になる。年2回のチャンスの内1回が無駄になるのは全く気の毒である。
2. 折角良い結晶が出来ても、数日で壊れてしまう寿命の短い結晶では予約された 実験日まで結晶がもたない、或いは実験日に合わせて結晶を仕込んでも思うよ うに結晶が出ずキャンセルせざるを得ない。実際このような理由でキャンセル を申し込んでくるケースは後を絶たない。
3. PFに共同利用者が長期滞在し試料を調整し、結晶化が出来、もし実験ステー ションの一つに臨時利用の出来る余裕が有れば極めて寿命の弱い特殊な試料で も測定可能になり得るが、現在のPFではそれは人的にも経済的にも又スペー ス的にも、望むことすら無理な状態である。
4. 特殊条件下での実験等はPFに長期滞在し、PFスタッフと共同で装置の開発 や、試行錯誤の実験を繰り返す必要がある。しかし現状では新技術開発のため に時間をとることすら難しい。しかしその様な環境の改善は蛋白関係のスタッ フが2人しかいない現状では、PFだけで解決することは不可能である。

�A本プロジェクトの場合
上記した難問は地理的問題、ビームタイム不足と配分方法、人手不足の4点で ある。筑波大学は地理的に極めて恵まれており、亦本プロジェクトが独自の実 験ステーションを建設しているため優先的に測定出来る。更にPFスタッフと 協力して新技術の開発を行えば、これらの難問は本プロジェクト関する限り解 消すると云える。

�V．本プロジェクトの研究内容

1. 本プロジェクトの目的と構成

本プロジェクトでは蛋白質など生体高分子のX線結晶構造解析を行い、それら の3次元構造を基礎に機能、反応機構、物性など構造生物学の基礎研究並びに医 学、薬学、農学などに役立つ応用研究を総合的に行う。従って本プロジェクトの 構成員は蛋白質結晶学、生化学、生物物理学、分子生物学、化学、物理学、薬学、 医学、農学、工学など極めて学際的であり、現時点で13大学より28名、4研 究所から9名、16企業から55名、総勢92名でこの内6名は外国人である。

2. サブプロジェクト

本プロジェクトは下記の9サブプロジェクト(以後班と略する)から構成され るが、実際には研究者は複数の班に属しており、各班が有機的な繋がりを持って 研究を行う。

1班;TARA用実験ステーション建設及びそこに設置する各種装置の開発

2班;解析用機器の導入及びソフトの整備

3班;インスリンなど蛋白質結晶の超精密解析

4班;膜蛋白質、特に生体エネルギー変換機構に関する研究

5班;ウイルスなど超巨大分子の研究及びその応用

6班;酵素の構造解析及びそれに基づく機能、物性及び反応機構に関する研究

7班;時分割ラウエ法による蛋白質分予の動的構造解析

8班;核酸関連蛋白質の結晶構造解析と機能の研究及びその応用

9班;医学的に重要な蛋白質の研究とその応用

第1班はPFに設置する装置の開発或いは導入及びそれらの維持管理を行う。

具体的に述べると平成8年5月中に利用開始が出来るようBL6BにTARA用 実験ステーションを建設し、生体高分子用ワイセンベルグカメラと超大型イメー ジングプレート読取装置を設置する。この他自動化のためCCDを用いたX線用 テレビカメラの開発や、研究上必要な装置及びソフトの開発や導入を行う。

第2班はTARAセンター内に設置する装置の開発或いは導入及びそれらの維持 管理を行う。

結晶大量調製のための大量培養及び精製装置、電子計算機の導入、 各種ソフトの導入及び開発を行い、常に最先端の設備を整え、各班員が各々の研 究室からもネットを通して使用できるものにする。サーベイ用の回折計や結晶製 作に必要な諸装置、DNAシークェンサーなど生化学用装置なども揃え、総合的 な研究ができるようにする。

第3班〜第9班は上記2班が揃えた機器、器具を基にそれぞれの研究を行うも のである。

3. 本プロジェクトの進行状況

本プロジェクトは計画通り順調に進んでいる。主な計画としては初年度はビー ムラインの建設である。我々が使用できるTARA専用の建物が立つのは平成9 年夏頃と思われるので本格的に筑波大学の施設を整備するのはそれからになる。 それまでは著者が借り受けている共同研究棟A112に電子計算機を最低数設置 しプログラムの整備を行い本格的な利用が出来る平成9年の準備を行う計画であ る。従って本センターを利用した本格的な研究は3年目から始まることになる。

�W．構造生物学センターへの発展の必要性

1. 本プロジェクトの特殊性

本プロジェクトはTARAセンターで現在走っている12の研究プロジェクト と比較すると馬鹿でかく異質である。従って、これ以上他の構造生物学分野を包 含したTARAプロジェクトとして発展することは難しい。年限について考えて みるとTARAプロジェクトは3年を単位としている。延長もあり得るが長期間 同じプロジェクトを続けるものではなく、そういうプロジェクトは独立したセン ターに発展的に解消することが望ましいとされている。しかしながら蛋白質結晶 構造解析の研究は一般に他の分野に比べると時間がかかる。更にこれまで筑波大 学の中に蛋白質結晶構造解析に係わる講座がなかったため、このプロジェクトは ゼロからの建設である。そのため建設期間が事実上2年かかるので3年経って数 億円の投資をして解散するわけにはいかない。つまり他のプロジェクトと歩調を 合わせることは難しい。

2. 各種センターとの組織的協力体制の必要性

筑波大学には多くのセンターが揃っており、本プロジェクトの研究を発展させ るためにはこれらのセンターにご協力を御願いする必要がある。即ち、下記す るセンターが存在するということは構造生物学を発展させるのには良い条件で ある。

1. 遺伝子実験センター
2. アイソトープセンター
3. 計算機センター
4. 分析センター
5. 工作センター
6. 低温センター
7. 動物実験センター
8. 下田臨海実験センター
9. 水理実験センター

3. 本プロジェクトの学際性(図1)と発展性豊かな再編成

本プロジェクトは本来結晶学、生化学、生物物理学、分子生物学、薬学、医学、 農学・工学など極めて学際的なプロジェクトである。最初に記したように本プロ ジェクトはこの目的を達成するために最も精密な3次元構造が得られるX線結晶 構造解析を行うこととした。しかし本来上記の目的を達成するためにはX線結晶 解析以外に下記のような幅広い研究手段及びそれらの分野の研究者との緊密な連 携プレーが必要である。

�@遺伝子組み替え

先に結晶大量調製のための大量培養及び精製装置を設置すると述べたが、今後 これらは遺伝子組み替えと密接な関係にある。つまり最低限P2レベルの大量 培養が出来なければならない。また必要に応じ、遺伝子の組み替え実験も出来 る必要がある。これ無しには今後の飛躍的な発展は望めない。この様に考える と本プロジェクトのみの力では何ともし難い。

�ANMRの必要性;NMRは常にX線結晶解析と相補的な関係にあり、両者が協 力しあう必要がある。

1. NMRでは溶液状態の構造を求めることが出来る。
2. NMRは緩和時間が求め得るため動的平均値を求めうる。
3. 大きな蛋白質のためNMRで全構造が求められなくとも、1次構造と2次構造 の関係が分かれば、即ち部分構造が推定できれば、X線結晶解析を行う際極め て役に立つ。

�BX線小角散乱の必要性;超巨大分子の形や溶液状態の4次構造変化等はX線結 晶解析或いはNMRで研究することは困難であり、小角散乱が最適である。

�C電子顕微鏡の必要性;超分子はX線結晶解析よりは2次元結晶を作り電子顕 微鏡による3次元再構成或いは電子顕微鏡を用いて電子線回折強度を求め電子 顕微鏡の実像から求めた位相と組み合わせる方法などが現実性が有る。例えば 筋肉の動的メカニズムを研究するためにはアクチン、ミオシンなど筋肉を構成 する個々の蛋白質の構造はX線結晶解析により精密な構造を知ることが出来る が、これらの分子が集まった筋肉組織になると電子顕微鏡が有力になる。又こ の組織の動き即ち時分割による動的観察を行うには�Aで述べたX線小角散乱が 有効になる。

�D理論家の必要性;

1. 生体の機能は蛋白分子同志或いは蛋白分子と核酸など高分子間の相互作用のみ ならず水分子など無機物との相互作用も極めて重要でる。相互作用の極限はピ コ秒、或いはフェムト秒の現象であり、これらの領域は理論家の計算に頼らざ るを得ない。速い現象の積み重なりで実験可能な時間領域を算出し実験結果と 合えば理論計算の正当性が増すことになる。
2. X線結晶解析の途中で、1次構造から2次或いは3次構造を予測することは極 めて重要である。この構造予測の開発は理論家の領域に属する。
3. この他、多くの手段や実験結果をまとめて何らかの新しい理論をまとめて行く ためにも夫々の理論家との協力が必要である。

�X．構造生物学研究センター構想(図2)

現在PFは世界的観点からも蛋白質結晶解析用データ収集の重要な拠点となっ ている。従って、PFに隣接するこの構造生物学センターは、産学官からなる世 界的な研究拠点としてのセンターにしたい。そのためには�Wで述べた事柄は全て 包含する必要があるが既にのべたので、その他の事柄を下記する。

1.規模について

�@大規模センターを意味するものではなく、むしろ規模は中程度、小回りの利く もので、且つ必要条件は満たされているものでなくてはならない。本センター とTARAセンターの関係については一応独立した親子関係にしておくのがよ い。

�A財政面については国や地方公共団体からのものと企業からのものとの2本建て にする。

1. 国或いは地方公共団体からは建物の全額、研究経費の一部、スタッフ(ポスト)、 及び装置としNMR、電子顕微鏡等を概算要求で認めて頂く必要がある。具体 的な建物の大きさや、スタッフの人数、或いは研究経費など具体的な事柄は多 くの人と検討し、且つ現実性の有るものにする必要がある。
2. 企業に付いては現在の坂部プロジェクトに対しr参加見込み」の企業まで含め ると既に16企業に達している。TARAようビームラインが稼働し、参加企 業から実績が出始めると、参加を希望する企業は未だ増加すると考えている。 正確に推定することは難しいが、少なくとも未だ5社は増えるであろうし、P Fにおける外国からの共同利用者の増加を考えれば、外国企業の参加む予想さ れる。

2. 部門などの構想として重要なものを揚げる

1. 重要な研究に対して数年間センターに席を置き、研究室が与えられ研究を完成 させることのできる客員部門が必要である。この場合大半をセンターで過ごす 場合も生ずるので、帰属する職場での理解が不可欠である。
2. 短期問の滞在で済む研究、例えば運搬できないような蛋白結晶の調整などのた め、短期利用の実験室及び共同で利用する居室を用意する必要がある。
3. またこれらの客員研究員のための研究費及び旅費が確保されなければならない。
4. 上記の研究を支え、しかもセンター研究員自身も高度な研究が行えるよう、あ る程度余裕のある人数のセンター研究員が必要になる。
5. 先端的な研究が行えるためには研究手段も常に研究の対象になる。そこで前記 1班及び2班は構造生物学研究センターにおいても特に重要である。少し手前 味噌になって恐縮であるが、PFにおける蛋白質結晶解析用データ収集システ ムが世界的に認められている大きな要因は、世界一のシステムの開発に負うと ころが大きい。その一号機は名古屋大学金属工作室の援助の基に行われた事を 忘れてはならない。即ち「世界一の研究を行うためには世界一の機器の開発が 必要であり、そのためには、それらをサポートするための「金属工作、電子機 器などのワークショップ」が不可欠である。このワークショップは便利屋とし て必要なのではなく、「新機器及び新ソフトを産み出すための高度な技官」が 必要である。従ってそれらの定員及び研究費も確保すべきである。
6. TARAセンターの本プロジェクトが発展的に構造生物学研究センターになる 以上、本プロジェクトの資産及びPF等の使用権、その他構成メンバーを含め 全てを構造生物学研究センターに移す。
7. PFの実験ステーションもBL6Bのみでは十分な研究はできない。幸い未だ に手の着いていないBL5は、挿入光源を入れることができるポートである。 従ってここの使用権を得て、MPWラインとし蛋白質結晶用実験ステーション および小角散乱用実験ステーションをPFと協同で建設する。 BL5の建設により結晶構造解析として下記の利点が生ずる。
   1. 重原子誘導体1種類で解析できるMAD法が現在より大きな分子まで適用でき るようになる。その結果多くの蛋白質結晶解析にこの方法が適用可能となる。
   2. 微小結晶のデータ収集が可能になる(目標は10μm)。
   3. BL6Bに建設するビームラインには少なくとも最初の段階では巨大分子用ワ イセンベルグカメラの設置を予定しており、時分割ラウエ実験はBL18Bを 利用して行うことになる。しかしBL5のステーションが完成すればサブミリ 秒の時分割ラウエ実験が出来るので、酵素の反応機構をこのオーダーで追う実 験が可能になる。
8. その他;センターの中心的なテーマは時代と共に変わるであろうが、先進諸外 国の風潮に流される事なく、「重要な研究分野であるにも拘わらず、そのまま にすると存続が危ういような分野の研究や萌芽的な研究の育成」にも力を入れ るよう配慮すべきである。

�Y. おわりに

構造生物学センターと云う以上、本来「構造生物学とは何か」と云う根本的な 所から議論を起こす必要が有ると思う。今回は現在走っているTARAセンター 坂部プロジェクトの発展として捉えた。

しかし構造生物学は今後大いに発展すると予想される分野であり、坂部プロジ ェクトにとらわれるものでなく、多くの場所、多くの分野、多くのレベルで議論 され、多くの場所で構造生物学の発展が成されるべきである。本誌「構造生物」 は坂部プロジェクトの機関誌であるが、構成員以外にも多くの読者がいるので、 構成員に止まらず、何らかの意味で構造生物学の発展に役立てば幸いである。