背景

神経細胞の情報処理と調節を理解する研究は現代神経科学の核心的課題である。脳細胞の活動を制御するために微細藻類由来の光感受性チャネルロドプシン（Channelrhodopsin, ChR）を発現させ、光でイオンチャネルを開閉させる光遺伝学（Optogenetics）技術が主に活用されている。特に、過興奮した神経細胞を沈静化する細胞抑制技術は、脳疾患治療法開発の手がかりを提供する点で注目されている。 この目的の下、カリウム選択性チャネルロドプシン（K+-selective Channelrhodopsin, KCR）であるHcKCR1およびWiChR1を活用して特定の神経活動を精密に遮断する試みが続いてきた。細胞内のカリウムイオンが外へ移動すると膜電位が低下し、神経伝達物質の放出が自然に抑制されるメカニズムである。 しかし、単一分子レベルでこれらのチャネルが実際にどの程度の電荷を流すのか、また光を受けるとイオンチャネルが開く物理的メカニズムは長期間不明であった。チャネル単体の電流が数百フェムトアンペア（Femtoampere, fA）レベルと極めて微弱で、従来の装置では信号とノイズの分離が不可能だったためである。イオンチャネルの開閉の微視的動作方式を解明しないと、光刺激の強度と頻度を最適化することができず、学界はこれを詳しく見る測定技術と分析モデルを待ち続けてきた。

核心的発見

ドイツ・イエナ大学のクラウス・ベンンドルフ（Klaus Benndorf）教授とベルリン・フンボルト大学のピーター・ヘゲマン（Peter Hegemann）教授の共同研究チームは、フェムトジメンス（Femtosiemens, fS）単位の解像度を実現する単一チャネル記録装置を用いて、HcKCR1およびWiChR1の単一イオンチャネル電流を高精度に測定した。分析結果によると、2つのカリウムチャネルロドプシンが光を受けて活性化する際、イオンチャネルが一度に完全に開くのではなく、多彩な中間伝導状態を経ていることが証明された。 2つの単一イオンチャネルは、一定時間電流がパルス状に放出されるバースト（Burst）現象を示した。この際、HcKCR1は1.6ピコジメンス（Picosiemens, pS）、WiChR1は2.4 pSの支配的で最大の伝導度を記録した。同時に最大伝導度以外にも0.3 pSから3.0 pSの範囲に分布する異質的で連続的な微細伝導度が観測された。 その中でWiChR1のバースト持続時間はHcKCR1よりも約4倍長かった。研究チームは、光に反応する化学的循環周期である光周期（Photocycle）と実際のイオンチャネルの物理的開閉（Closed-open gating）が互いに独立した直交的（Orthogonal）な過程であることを明らかにした。この単一分子電流データは、細胞全体レベルで測定される全細胞電流（Whole-cell current）の挙動を完全に裏付けている。

意義と展望

今回の発見は、光遺伝学ツールの動作原理を単一分子レベルの極限解像度で明らかにした点で意義が深い。チャネルロドプシンが単一の固定開状態を持つという通念とは異なり、開いた複合体内でイオンチャネルが様々な微細構造を介して揺動しながらイオンを通すという事実は、光遺伝学タンパク質設計に新たな方向性を提示する。 このような物理化学的特性を活用すれば、カリウムイオン伝導率をさらに高めたり、開いている時間の調整が可能となり、カスタマイズ型の光遺伝学抑制ツール設計が容易になる。不要なイオン漏れを減らし、目標神経細胞のみを選択的に抑制するために、チャネルの伝導度を人工的に調整する応用も可能である。ただし、微細な電流状態を実際の生体内環境で制御するには、神経細胞膜の脂質構成や膜電位変化がチャネル構造揺動に与える影響などの追加変数を検討する後続研究が求められる。実験室の人工的測定条件が複雑な脳組織内部でも同様に再現されるかを検証する過程も不可欠である。