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金沢大学ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）の福間剛士教授、アイハン・ユルトセベル特任助教、京都大学大学院生命科学研究科／金沢大学ナノ生命科学研究所の炭竈享司特定講師、米国ワシントン大学のMehmet Sarikaya 教授らによる国際共同研究グループは、タンパク質表面を取り囲む水分子がアミノ酸配列に応じて高度に秩序化された立体構造を形成していることを、世界で初めて直接可視化することに成功しました。
近年、人工知能（AI）によるタンパク質構造予測技術の進展により、タンパク質の立体構造を高精度に予測できるようになりました。
しかし、アミノ酸配列や立体構造が分かっていても、その機能や分子間相互作用、生体内での振る舞いを正確に予測することは依然として困難です。
本研究では、最先端の三次元原子間力顕微鏡（3D-AFM）（※1）を用いて、ペプチド（※2）集合体周辺の水和構造（※3）をサブナノメートル分解能で観察しました。
その結果、水は単なる溶媒ではなく、疎水性、極性、芳香族性、電荷を持つアミノ酸残基の特性に応じて、多層的かつ規則的な構造を形成していることを明らかにしました。
さらに本研究グループは、タンパク質本体とその周囲に形成される固有の水和構造を不可分な一体構造とみなし、「タンパク質超構造（Protein Superstructure）(※4)」という新しい概念を提唱しました。
本研究成果は、タンパク質機能の理解を大きく前進させるとともに、創薬、タンパク質工学、バイオマテリアル開発など幅広い分野への応用が期待されます。
本研究成果は、2026年8月26日に国際学術誌『Nature Communications』のオンライン版（オープンアクセス）に掲載されました。
図1：自己組織化したペプチドの水和構造の3D-AFMによる可視化。
(a) 球棒モデルで示したGrBP5-WTペプチドの分子構造。
(b) HOPG上の自己組織化ペプチドのナノ構造への3D-AFMの適用の模式図。3次元マップから2次元のxz断面およびxy断面を抽出する様子を示している。画像取得および力マッピングの際にはプローブを水平（xy）方向と垂直（z）方向に同期して走査させ、z位置を正弦波で高速に変調する。プローブが表面に近づくと、特徴的な振動状の力プロファイル（c）が現れる。これは、自己組織化ペプチド構造の表面での秩序だった水和層を反映している。
(d) ペプチド集合体を取り囲む界面水の空間配置を分子分解能で示した3D-AFMマップ。
図2：水中におけるHOPG上のGrBP5-WTペプチドの超分子集合体。
(a) PBS緩衝液中で取得された安定なペプチド・ドメインの分子分解能AFM像。
(b) ペプチドの分子格子を固体の原子格子に整合させることで定義されたペプチド結晶と基板格子の間の結晶学的配向関係。この結晶学的配向関係によりキラルな構造を識別できる。
(c) 水中におけるペプチド・ドメインの分子分解能AFM像。
(d) 分子動力学シミュレーションによるグラフェン上のGrBP5-WTペプチド集合体の構造。
(e) シミュレーションによる分子レベルの詳細な図。グラフェン格子とのπ-πスタッキングにより結合ドメイン内のチロシン（Y）残基は平面状に配列する一方、IMVTドメイン内のメチオニン（M）残基は表面から突出して水に露出されている様子が示されている。
(f) パネルaのAFM像に、シミュレーションで得られたペプチド集合体構造を重ね合わせた画像。
図3：ペプチド界面における水密度分布および水和モチーフの分子動力学シミュレーションによる解析。
(a, d) 2つの横方向の位置におけるペプチドの列に沿って取得したΔf（周波数シフト）の垂直断面（xz面）での2次元像。
(b, e) ペプチドのナノ構造上方における水分子の酸素原子の垂直断面での2次元密度。
(c, f) ペプチドと周囲の水分子との間に形成される水素結合。色の違いは異なる水分子集団を表しており、赤色はペプチド・水界面での水素結合ネットワークに関与する水分子を、青色は周囲の溶媒領域にある水分子を示している。
【用語解説】
※1 三次元原子間力顕微鏡（3D-AFM）
原子間力顕微鏡の探針を3次元的に動かし，その間に探針が感じる力を計測してその空間分布をマッピングする。これによって，溶液内の3次元構造内部をナノスケールの分解能で観察できる顕微鏡である。
※2 ペプチド（Peptide）
タンパク質は数百個のアミノ酸が数珠つなぎになった紐状の生体分子である。数十個のアミノ酸がつながっている分子をペプチドと呼ぶ。
※3 水和構造（Hydration Architecture）
タンパク質やペプチド表面の周囲に形成される、水分子の秩序ある立体配置構造のこと。本研究では、アミノ酸配列に応じて異なる特徴的な構造を形成することが示された。
※4 タンパク質超構造（Protein Superstructure）
タンパク質本体と、その周囲に形成される配列特異的な水和構造を一体として捉える新概念。本研究で提唱された。
ジャーナル名：Nature Communications
研究者情報：福間 剛士
アイハン・ユルトセベル
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