X線と中性子を用いて観測した蛋白質水和水の熱力学的特徴

Complementary use of X-ray and neutron diffraction to investigate the characteristics of solvation of a protein

黒木 良太

Kuroki, Ryota

タンパク質を取り巻く溶媒の水和や脱水和は、タンパク質のフォールディング,ダイナミクス及び分子認識において重要な役割を演じる。中性子結晶解析は水素原子との強い相互作用により、タンパク質を構成する全原子の構造解析を可能にする。しかしながらタンパク質の周りに結合する水和水やカウンターイオンを電子密度だけから識別することは大変難しい。そこで原子との相互作用の特徴が異なるX線と中性子を相補的に利用して、溶媒に含まれる水和水や無機イオンの同定を試みている。試料としてブタエラスターゼの結晶を用い、1つの結晶からX線と中性子の回折データを収集した。両マップを比較することによって、水分子の位置を正確に同定することができた。現在この手法を用いてさまざまなカウンターイオンの位置の同定を試みている。このような水分子やカウンターイオンを同定する機能を、将来的にはわれわれが運営する生体水素水和水データベースの付加機能の一つとして加える予定である。

Solvation, desolvation and hydrogen bonding are key energetic contributors to biopolymer folding, dynamics and molecular recognition. Neutron crystallography enables us to chacterize these contributors through observation of whole atom positions including hydrogens because of the strong interaction of neutrons with hydrogen atoms. It is quite difficult to distinguish the water and counter ions around the protein molecule by X-ray crystallography alone because the electron density of each atom is strongly affected by their mobility. Recently, we have succeeded in collecting both X-ray and neutron diffraction data of porcine pancreatic elastase using the same crystal. By using these data, we succeeded in determining the locations of oxygen and hydrogen positions of hydrating water effectively. The use of the same crystal for X-ray and neutron diffraction cancelled out the effect of the mobility of these atoms and enables us to identify not only water molecules but also other counter ions. We have been also developing a hydrogen and hydration database for bio-macromolecules (HHDB; http://hhdb.tokai.jaeri.go.jp) so that it can automatically categorize all hydrogen atoms, hydration water molecules, several counter ions and so on. Shortly, the HHDB will provide researchers with a much-needed resource for understanding and analyzing hydrogen-bonding interaction, solvation and interaction with counter ions.