フレッド・ハッチの新しいハイテク研究所は、治療薬やワクチンの研究を支援するためにタンパク質の3Dマップを作成します。
メロディ・キャンベル博士は、極度の温度と電子顕微鏡を使用してタンパク質の 3D マップを作成する技術である極低温電子顕微鏡法 (cryo-EM) の素晴らしさと威力に初めて気づいたとき、学部生でした。
その映像は衝撃的で、キャンベルはその瞬間に、その革命的な技術にキャリアを集中することを決意した。
「私は視覚的な人間です」と、現在フレッド・ハッチンソンがん研究センター基礎科学部門の助教授を務めるキャンベル氏は語る。「タンパク質を観察することで、多くのことを学ぶことができます。」
2月、1年以上の計画を経て、キャンベル氏はハッチ研究所に新たな研究室を開設した。これは、クライオ電子顕微鏡（クライオEM）の構築・開発に向けた組織の取り組みの一環である。この技術は、DNAからタンパク質、そしてウイルスに至るまで、あらゆる物質の構造を、目を見張るほど鮮明かつ有用な形で観察することを可能にする。最近のコロナウイルスのスパイクタンパク質の例もその一つである。
それらの構造をより明確に理解することで、最終的には自己免疫疾患から癌や感染症に至るまでの病気を標的とした新たな治療法やワクチンの開発につながる可能性があります。
「クライオ電子顕微鏡法によって、あらゆる分野の構造生物学者、私のようなベテラン結晶学者でさえも、私たちが長い間視覚化を夢見てきた生物学的機械をついに見ることができるようになります」と、新施設の推進に尽力したフレッド・ハッチ研究所基礎科学部門の教授、バリー・ストッダード氏は述べた。
クライオ電子顕微鏡の仕組み
クライオ電子顕微鏡法は画期的な技術であり、この装置を改良した功績により3人の科学者が2017年のノーベル化学賞を受賞した。クライオ電子顕微鏡法によって研究者はウイルスやタンパク質などの非常に小さなものを観察することができる。
この技術では、粒子を摂氏マイナス180度で凍結し、非結晶性の氷の薄い膜に閉じ込めます。このプロセスは粒子を保護するだけでなく、化学物質や汚れのない本来の環境に保ちます。その後、科学者たちは電子顕微鏡とコンピューターアルゴリズムを用いて、この構造の3Dモデルを作成します。
これまで、生物学者はこれらの微粒子を結晶化させ、X線を用いて観察することができました。しかし、この手法では静止画像しか得られないとストッダード氏は言います。
タンパク質構造の専門家であるストッダード氏は、馬の画像に例えました。牧草地でじっと立っている馬しか見えなければ、ケンタッキーダービーで走る馬を想像するのは難しいでしょう。同様に、クライオ電子顕微鏡（クライオEM）は分子の複雑な動きと構造を高解像度で鮮明に映し出し、研究者が分子の動きと機能をより深く理解することを可能にします。
こうした詳細な構造画像は、疾患治療薬の開発に役立ちます。がん治療薬を含む多くの薬は、タンパク質に結合して作用します。タンパク質の構造を理解することで、研究者はタンパク質が新たな創薬標的としてどのような可能性を秘めているのかをより深く理解することができます。
キャンベル氏は、白血球表面に存在するタンパク質ファミリーに特に興味を持っています。これらのタンパク質は、ループスなどの自己免疫疾患や炎症性疾患において重要な役割を果たしています。これらのタンパク質の構造と機能をより詳細に理解することが、個別化治療薬の開発の第一歩となります。
他の科学者がこの技術を実際にどのように活用しているかを示す最も関連性の高い最近の例は、コロナウイルスの象徴的な画像に見られる赤いスパイクタンパク質でしょう。キャンベル氏によると、COVID-19患者の抗体がウイルスのスパイクタンパク質に結合する仕組みを理解することが、最終的にCOVID-19と戦う強力な治療薬の開発につながったとのことです。関連するコロナウイルスのスパイクタンパク質のクライオ電子顕微鏡による構造解析は、現在広く普及しているmRNAワクチンの開発を導きました。
「その形状はその機能と動作に非常に重要だ」とキャンベル氏は語った。
「冒険的な」セットアップ
ハッチの新しい研究室の設立には約400万ドルの費用がかかり、「かなりの冒険」だったとキャンベル氏は語り、準備には約1年を要したという。研究室には2台の電子顕微鏡、グラシオスとタロスが設置されている。どちらも高さは約2メートルだ。
「皮肉なことに、小さいものを見るためには、もっと大きくならなければならないんです」とキャンベル氏は笑いながら語った。
そびえ立つ高さに加え、重量も数千ポンドに達します。11月、新型機械は複数の木箱に詰められ、2台の大型トラックに積まれて到着しました。荷降ろしだけで半日かかりました。
しかし、セットアップの課題はそれだけではありませんでした。顕微鏡は電磁干渉に非常に敏感で、シアトルのような大都市ではよくあることです。
「本当に扱いにくい機械です」とキャンベル氏は語った。
実際、顕微鏡は振動に非常に敏感で、作業中に大声で話すだけでも画像がぼやけてしまうことがあります。この干渉を排除するため、ハッチチームは顕微鏡のケース内に電磁干渉除去装置を組み込みました。この装置は干渉波を測定し、完全に垂直な波を放射して干渉波を打ち消します。
サンプルを-180℃で凍結保存するには、ビトロボット（凍結ロボット）などの特殊な装置が必要です。顕微鏡内では、光源である電子に干渉する可能性のある他の粒子を遮断するため、サンプルは真空状態に保たれなければなりません。
かつて、微粒子イメージングに取り組む科学者たちは、暗室で顕微鏡の前にかがみ込み、フィルムを使ってデータを収集し、画像ごとに顕微鏡のステージを動かしていました。しかし今では、キャンベル氏は顕微鏡に収集するデータを指示し、3日間放置するだけで済みます。
「これにより、クライオ電子顕微鏡法はより興味深く、より利用しやすくなりました」と彼女は語った。
ハッチでは、この分野を活性化し拡大するために、施設とスタッフを増強する計画があります。現在は単一のタンパク質やウイルスを研究対象としていますが、将来的には細胞のようなより大きな構造へと研究対象を拡大したいと考えています。
今のところ、たった一つのタンパク質だけでキャンベルを魅了するのに十分すぎるほどだ。彼女とチームは3月に、腸内に存在し鉄分を蓄えるタンパク質「アポフェリチン」の高解像度画像を初めて収集した。タンパク質は非常に小さいため、人間が認識できる色を持たないため、キャンベルはハッチのカラースキームに敬意を表して、深い海の青、ターコイズ、そして鮮やかな緑を色付けした。
「テスト運転でしたが、ちょっとしたことでうまくいかないこともあるので、とても興奮しました」とキャンベル氏は語った。「構造は既に分かっていましたが、全てが正常に稼働していることが分かり、大きな安堵のため息が漏れました。」
