タンパク質が形をつくる仕組みの正確な予測法 ――最新のAIにも解けない難問を物理学理論で解決、 医療用・産業用タンパク質の新規設計に利用可能――研究成果

2023年10月19日
東京大学

発表のポイント

• ひも状のタンパク質は、特定の形をつくることで機能を発揮します。その仕組みを正確に予測可能な物理学理論の開発に成功しました。これは最新のAIにも解けない難問でした。
• 開発した予測法は、タンパク質が特定の形へと折りたたまれていく経路を示す「地図」を効率的に描くことができ、大きさや形に関わらず、多様なタンパク質に対して汎用的に利用可能です。
• 本研究の成果は、タンパク質の動きを予測するAIの開発、医療用タンパク質や産業用酵素の新規設計、およびタンパク質の工業生産プロセスの開発などへの応用が期待されます。

発表概要

　東京大学大学院総合文化研究科・教養学部の大岡紘治特任助教と新井宗仁教授の研究グループは、タンパク質がどのようにして特定の形をつくるのかを正確に予測する物理学理論を開発しました。

　タンパク質は生命維持に重要な働きをする長いひも状の分子であり、医療や産業にも利用されています。多くのタンパク質は伸びてほどけた形ではなく、らせん状やひだ状の形へと折りたたまれて初めて機能を発揮できます。しかし、タンパク質が特定の形をつくる仕組みの解明は長年の未解決課題であり、タンパク質の形を予測できる最新のAI「AlphaFold 2」にも解けない難問でした。

　研究グループは、物理学の一分野である統計力学の理論を新たに構築することで、タンパク質が特定の形へと折りたたまれていく経路を示す正確な「地図」を効率的に描くことに成功し、20年来の難問を解決しました。開発した予測法は、タンパク質の大きさや形に関わらず、多様なタンパク質に対して汎用的に利用可能です。また、ジスルフィド結合（注1）という架橋を持つ複雑なタンパク質が正しい形をつくるプロセスについても、実験結果を再現できました。

　本研究の成果は今後、タンパク質の動きを予測するAIの開発につながると期待されます。さらに、医療用タンパク質や産業用酵素の新規設計、および正しく折りたたまれたタンパク質を工業的に大量生産するプロセスの開発などへの応用も期待されます。

発表詳細

大学院総合文化研究科のページからご覧ください。

用語説明

（注1）ジスルフィド結合
システインというアミノ酸のペアの間に形成される共有結合。このような架橋がタンパク質分子内にできるとタンパク質は安定になる。抗体にも多く存在している。ジスルフィド結合を複数持つタンパク質を正しい形へと人工的に折りたたむことは難しいが、この問題を解決できれば、医療や産業に有用なタンパク質を微生物で大量生産した後、人工的に正しい形をつくらせることによって、有用なタンパク質の安価な製造を実現できる。