X線結晶構造解析

目に見えないほど小さな分子の立体構造を、どうすれば知ることができるのか。X線結晶構造解析(X線回折、結晶構造解析とも呼ばれる)は、結晶化ないし繊維状に配向させた試料にX線を照射し、そこに生じる回折パターンを解析することで分子内部の原子配置を推定する実験手法である。X線は可視光よりはるかに波長が短く原子間隔に近いスケールを持つため、規則正しく並んだ試料に当たると特有の干渉縞——回折パターン——を生み出す。この模様を数学的に読み解くことで、肉眼では決して見えない立体構造を間接的に浮かび上がらせることができる。20世紀前半に確立されたこの手法は、単純な無機結晶の解析から出発し、やがてタンパク質や核酸といった生体高分子の構造決定へと応用範囲を広げていった。

無機物から生体高分子へ

X線が結晶格子によって回折されるという現象が見出されたのは20世紀初頭とされ、その後まもなく回折パターンから結晶構造を数式的に導き出す方法が整備されていった。当初は塩や鉱物など比較的単純な無機結晶の解析に使われていたが、20世紀半ばにかけて対象は徐々に複雑な生体分子へと移っていく。もっとも生体高分子は無機物のように整った単結晶を作りにくく、繊維状に引き伸ばして分子をある程度そろえる「繊維X線回折」という工夫が用いられた。DNAの構造解析はまさにこの繊維X線回折によって進められた代表例であり、写真そのものは抽象的な斑点の集まりにすぎないが、そこに刻まれた対称性が分子の骨格を雄弁に物語っていた。

『二重らせん』を動かした一枚の写真

二重らせんでは、キングス・カレッジ・ロンドンでロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスがDNA繊維のX線回折写真を撮り続ける様子が描かれる。なかでも「写真51番」と呼ばれる一枚は、DNAがらせん構造を取ることを示す明瞭な十字模様をとらえており、構造推定の決定的な手がかりとして本書でもっとも緊張感の高い場面のひとつに登場する。ワトソンがこの写真を目にした経緯——フランクリン本人を介さずウィルキンスの手から見せられたとされる——は、データの所有と共有をめぐる本書最大の緊張点であり、のちの科学的発見の功績帰属を問う議論にも影を落とし続けている。

データだけでは足りない

X線結晶構造解析には大きな制約もある。回折パターンは分子内部の電子密度分布を反映するものの、そこから立体構造を一意に読み取るには複雑な計算と仮説の検証が欠かせず、写真そのものが答えを教えてくれるわけではない。ワトソンとクリックは、ライナス・ポーリングが発表した誤った三重らせんモデルの失敗を教訓にしながら、フランクリンの回折データが示すらせんの周期や密度といった数値の制約と、モデル構築による科学的発見という手法——実際に分子模型を組み立てて矛盾のない形を探る作業——を組み合わせることで、ようやくDNA二重らせん構造にたどり着いた。X線結晶構造解析は答えを直接示す手法というより、正しい仮説だけが満たせる制約条件を与える手法だったといえる。

分子生物学の基盤技術として

DNAの構造決定を経たのちも、X線結晶構造解析は酵素や抗体をはじめ無数のタンパク質の立体構造を解明する標準的な手法として使われ続けた。分子の形が機能を決めるという発想そのものが分子生物学の中心的な方法論のひとつとなった背景には、こうした地道な回折写真の読み解きの蓄積がある。