慶應理工の人工タンパク質 タンパク質の自己組織化を利用したものづくり研究

では、どうやってタンパク質でサッカーボール型の分子をつくるのだろうか。川上さんが注目したのは、融合タンパク質を用いた分子デザインの方法である。
私たちの身体の中では、複数のタンパク質が自発的に集まって複雑な立体構造をつくり、それらが働いている。この性質を利用し、ブロックを組み立てるようにタンパク質を人工的にデザインして目的の形をつくろうという研究が、2000年頃から行われてきた。
2014年、アメリカの研究グループが、2種類のタンパク質をつなげた融合タンパク質を使って、多面体の分子をつくることに成功していた。しかし、同時に複数の形の多面体ができてしまうという課題があった。生成物に多様な形が混ざっていると、産業応用を目指す上では大きなネックになる。川上さんは、なんとかサッカーボール型の分子だけを生成するような方法はないかと探った。
「サッカーボールは五角形が12個、六角形が20個からなる多面体です。まず思いつくのは、五角形と六角形を貼り合わせるデザインです。しかし、五角形と六角形を整然と並べる方法がわからないし、どうやって辺どうしをつなげればいいのかもわからない」。展開図を眺めたり模型をつくったりして考えていると、川上さんはあることに気づいた。「サッカーボールの形をつくるには六角形が絶対に必要だと思い込んでいたのですが、五角形の頂点を線分でつなぐとそこに六角形が現れるのです（図2）」。

オイラーの多面体定理「（頂点の数）－（辺の数）＋（面の数）＝2」から、六角形と五角形からなる多面体は必ず12個の五角形を含むということが導かれる。つまり、五角形の頂点から伸びる線分どうしをつなぐ仕組みをつくれば、サッカーボール以外の形はできないはずだ。「これならいける！」と自信を得た。
具体的に融合タンパク質を設計し（図3）、実験で検証したところ、サッカーボール型と思われる分子量の粒子のみがつくられていることが確認できた。ただし、この粒子は直径約22ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）と極めて小さく、その構造が本当にサッカーボールであるかどうかを調べるには高度な技術や装置が必要となる。共同研究者の協力を得て、2017年のノーベル化学賞の対象となった「クライオ電子顕微鏡」を用いた解析により、構想から約5年の年月を経てようやくその生成物がサッカーボールと同じ構造であることが実証された（図4）。

当初は自分の代名詞になるものをつくる目的で始めた研究だったが、サッカーボール型ナノ粒子の成果を論文や学会で発表すると、大きな反響があった。ナノ粒子の中が空洞であるため、薬物を閉じ込めて体内に運ぶナノカプセルとして利用するなど、将来的な可能性が注目されたのだ。
そこで、次に川上さんは、このサッカーボール型ナノ粒子を自在にバラバラにしたり、元のサッカーボールの形に戻したりできる技術を開発した。元の形に戻すときに、中に入れたい物質を添加すると、サッカーボールの中に閉じ込めることができる。
最近では、研究室の学生がサッカーボール型ナノ粒子を低コストで大量に生成できる技術を開発した。また、この粒子を大量につなぎ、まわりに水分をため込んだ柔らかいゲル状の材料の開発も進めている。このゲルに刺激を与えると、サッカーボールの形が壊れて中に詰めていた物質が出てくるような仕組みを考えているという。
「私が目指しているのは、サッカーボール型ナノ粒子を世界中のたくさんの人に使ってもらうことです。中に別の分子を詰めたり、ゲル状にしたりと、いろいろな使い方ができることを示していくことで、他の研究者が何か材料を探しているときに、『そういえば、ああいうのあったよね』と、私たちのつくったサッカーボール型ナノ粒子を思い出してもらえたら、とても嬉しいです」と川上さんはナノ粒子の将来についての抱負を語っている。

いえ、まったく。小学生の頃は勉強しなくてもテストの成績は良かったのですが、中学2年生くらいから授業を聞いているだけでは理解できなくなってきて、特に英語が苦手でした。「なぜここの前置詞はforなんだろう」と疑問に思っても誰も教えてくれませんし、納得いかないことばかりで、勉強が嫌になってしまったんです。
家では部屋で勉強しているふりをしながら、実際はマンガを読んだりゲームをしたりしていました。今思うと、非常に扱いにくい中学生だったと思います。

本当は進学校の高校を候補にしていましたが、中学の先生から「合格は難しい」と言われ、なんとなく高専を選びました。高専がどういうところかよく知らなかったのですが、入ってみると、自分にすごく合っていました。ちょっと変わった学生が多かったので、そんな中にいると、私も自然となじめて、居心地が良かったですね。
また、高専の教員は、大学の研究者のように、自分の専門分野があり、研究している方たちなので、専門分野の話になると「これが面白いんだ」と楽しそうに話すのです。疑問に思ったことを質問すると、真剣に答えてくれますし、答えがない場合は「こういう風に考えたら分かるんじゃないか？」とアイデアを提案してくれました。先生どうしの掛け合いを聞くのも楽しくて、「科学は人間の活動で営まれているんだな」と感じました。
それは自分にとっては、とても大きな経験でしたね。中学までは教科書に書いてあることをただ覚えてテストの答案を埋めるのが勉強だと思っていましたが、高専の先生たちの会話を聞いていると、「だからこれは知っておいた方がいいんだな」と、納得して知識を得ることができます。そんなふうに自分の興味のままに追究していると、好きな分野は自然にどんどん成績が上がっていきましたね。

高専は本科が5年間あり、その後、希望する人はより高度な教育が受けられる2年間の専攻科に進みます。本科を卒業して就職する人も多くいますが、せっかく高専に入ったので専攻科に進みました。
高専では、セラミックス等を使った水質浄化の研究をし、このときの指導教官である久冨木(くぶき)志郎(しろう)先生（現在は東京都立大学准教授）には多大な影響を受けました。研究の面白さを知ったのもこのときで、卒業後の進路に迷っていたとき、大学院への進学を勧めてくださったのも久冨木先生でした。
当時、久冨木先生が「君が将来研究者として大成したら、何かコラボレーションできるといいね」とボソッとおっしゃって、そのときは「そんな道もあるのか」と遠い未来のように考えていました。ですが、サッカーボール型ナノ粒子のほかに、もうひとつ、私が取り組んでいる「大腸菌を使った生物進化」の研究は、久冨木先生の技術と相性がよさそうなので、近々、本当に久冨木先生と共同研究をできないかと考えています。

国立大学と比べて、学生の自由度がとても高いですね。教員に対しても割とフランクで、気軽に話しかけてくれるので、学生たちのキャラクターがつかみやすく、指導もしやすいです。
これまで数々の研究室を渡り歩いた経験から、研究室の雰囲気は、研究に対するモチベーションを大きく左右すると感じています。なので、自分たちが研究する空間はできるだけ良い雰囲気にしておきたいと思っています。 そのため、指導に対する考え方として、学生と普段からよく話をするということを重視しています。