Influences of Molecular Crowding on the Properties and Functions of Biomolecules

Abstract

The medium of biomolecules in a living cell differs remarkably from a dilute solution, and many properties of biomolecules that are not observed in vitro are emerged as a result of such intracellular environments. Molecular crowding which is one of the important intracellular environments changes equilibria and rates of biomolecular interactions. Studies with solutions containing high concentration of water-soluble inert co-solutes reveal influences of the molecular crowding on the structures and interactions of proteins and nucleic acids, providing significant insights not only into traditional biology but also bionanotechnology. nucleic acids / molecular crowding / excluded volume effect / water activity / thermodynamics 1．はじめに ナノテクノロジーとバイオテクノロジーを駆使して， 核酸やタンパク質などの生命分子の構造や機能を分子 レベルで解明する試みがさかんに行われている．我が 国でも，主要なタンパク質の構造を解明する「タンパ ク 3000 プロジェクト」などが進められており，これら の研究成果から膨大な構造情報が得られつつある．ま た，生命分子を大量に得る技術（生化学的手法，PCR 法，化学合成法など）が開発され，個々の生命分子の 機能の解明も進展している．このような取り組みの結 果，生命分子の機能やその制御システムの一端が明ら かになり，細胞内で行われる酵素反応や遺伝子発現シ ステムを細胞外（in vitro）で再現することも不可能で はなくなりつつある．しかし，in vitro 実験で再現され る生命分子の機能は，細胞内ほど効率がよくない場合 が多い． 生命分子のin vitro実験では均一で希薄な水溶液が広 く用いられる．この場合，用いられる生命分子は通常 1 mL あたり 10-1 mg 以下であり（分子量 1 万の生命分 子を考えた場合， その濃度はせいぜい 1-0.1 mM 程度） ， 水分子は重量で比較すると生命分子よりも 100-1000倍， 分子の数では数万-数十万倍以上多く存在している． 一 方，細胞内を眺めてみると，核では DNA とタンパク質 がコンパクトな構造体を形成しており，その動きは著 しく制限されている．また，細胞質にはフィラメント 構造体やリボソームのような巨大分子や，細胞小器官 や細胞を包む膜構造が至る所で見られ，細胞内はいろ いろな分子で非常に混み合った状態にある 1) ． このよう な分子は細胞の体積の20-40％を占め， その濃度は 1 mL あたり 300-400 mg に達するといわれる 2), 3) ．このよう な分子が密に存在する状態は分子クラウディング （molecular crowding）とよばれる．このとき，細胞に含 まれる生命分子の重量は水分子の重量に匹敵し，生命 分子の分子量を1万として計算すると，その濃度は数 10 mM に達する．さらに，細胞内には水分子以外の水 溶性の低分子化合物（糖代謝産物，アミノ酸，ポリア ミン類など）も多く存在しており，均一希薄水溶液と は全く異なった分子環境が作り出されている．生命分 子はこのような分子環境の中で機能しており，この環 境下では，希薄水溶液中では観測されないさまざまな 分子物性を示すことが知られている．本稿では，この 分子クラウディングによって，生命分子，特に核酸の 物性と機能がどのように変化するのかについて説明す る． 2． 分子クラウディングがもたらす分子環境の変 化 前述したように，細胞内の生命分子は水溶液中とは 全く異なった分子環境に存在している．では，生命分 子の構造と機能は分子クラウディングによってどのよ うな影響を受けるのであろうか． まず， 分子クラウディ