大阪大学大学院工学研究科の溝端栄一講師、東京薬科大学薬学部の藤田恭子講師、名古屋工業大学生命・応用化学類の古谷祐詞准教授らの共同研究チームは、膜タンパク質を「水和イオン液体（Hydrated Ionic Liquids）」に直接溶解させ、これまで困難とされてきた構造保持と機能維持を両立させる新技術の開発に成功しました。膜タンパク質は、約6割の医薬品のターゲットとなる重要分子ですが、その不安定性が研究開発の大きな障壁となってきました。本技術は、創薬や次世代バイオセンサー開発を大きく前進させる可能性を秘めています。

本研究成果は、国際学術誌『International Journal of Biological Macromolecules』に掲載されました。

膜タンパク質は細胞膜に存在し、物質輸送や情報伝達など生命活動の要を担うタンパク質で、医学・創薬・バイオテクノロジー分野における、最重要ターゲットのひとつです。しかし、生体外では構造や機能が損なわれやすい「繊細な分子」であるため、安定的な取り扱いが難しく、研究と応用のボトルネックになってきました。緩衝剤や界面活性剤を用いる従来手法にも限界があり、抜本的な安定化を実現する新しい技術が求められていました。

本研究では、液体の塩である“イオン液体”にわずかな水を含ませた「水和イオン液体（Hydrated Ionic Liquids）」を用いることで、膜貫通型タンパク質（TehAおよびバクテリオロドプシン）を直接溶解するだけで、構造と機能を保持した安定化に成功しました。

膜タンパク質はその不安定性から、従来の緩衝液中では取り扱いが困難でしたが、本研究では水和イオン液体の構成イオン（カチオン・アニオン）や含水率が構造保持と安定性に大きく影響することを明らかにしました。特に、コリニウムリン酸二水素を用いた水和イオン液体では、膜タンパク質の高次構造を維持したまま溶解が可能であり、熱変性温度を20℃以上向上させることが確認されました。

一般的に、熱変性温度の向上により、熱的安定性や長期安定性は改善されることが知られています。本技術による構造的安定性の向上は、極めて顕著です。また、含水率の違いによってタンパク質の構造や安定性に大きな変化が生じることから、生体膜内に存在する水分子の数や性質が膜タンパク質の機能維持において重要な役割を果たしていることが示唆されました。

さらに、光駆動型プロトンポンプ能を持つバクテリオロドプシン（bR）に対してレーザー照射を行い、プロトン輸送に関連する中間体形成を観察することで、機能性の維持も実証されました。加えて、レーザー照射による光退色に対して約10倍の耐性を示すなど、機能的安定性の向上も確認されています。

これらの成果は、膜タンパク質の構造解析や機能評価をより簡便かつ高精度に行うための新たな手法として、創薬研究やバイオデバイス開発に大きな可能性をもたらすものです。

研究概略図

本研究で確立した膜タンパク質の安定溶解法は、従来その取り扱いの困難さが障壁となっていた膜タンパク質研究を大きく加速させると期待されます。特に、膜タンパク質を標的とする創薬スクリーニングや、その機能を活かしたバイオセンサー開発、膜タンパク質の構造解析の効率化に資する有力な選択肢として、幅広い応用展開が見込まれます。

本技術は、創薬におけるTPP（Target Product Profile）の観点からも高い実用性を有しています。たとえば、膜タンパク質の長期保存性や熱安定性（20℃以上の向上）は、製剤化や輸送時の品質保持に直結し、経時安定性の向上にも寄与します。また、膜タンパク質の安定な機能保持は、機能性評価やスクリーニングの再現性向上に貢献します。

水和イオン液体は揮発性が低く、調製が容易であるため、製剤の安定化にも応用可能です。これにより、膜タンパク質を標的とする医薬品の設計・評価・製造プロセスにおいて、構造的安定性と機能性の両立を実現する新たな選択肢となります。

本技術は、基礎研究にとどまらず、創薬プロセスの初期段階（ターゲット検証・スクリーニング）から後期開発（製剤化・品質管理）までを見据えた応用展開が可能であり、膜タンパク質を標的とする医薬品開発におけるゲームチェンジャー技術として、生命科学・医療・工学分野における革新的研究の推進に寄与することが期待されます。