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2024-08-06 04:00:00
カリフォルニア州ナパバレーの山々や木々が車の窓から流れていく中、6 歳のデイビッド・カストナー君は父親と熱心に会話を交わしています。会話はおなじみのもので、重力から電磁気学へと自然に話題が移っていきます。彼が物心ついたころから、科学的な好奇心はドライブ中の会話の重要な部分を占めてきました。
「宇宙がいかに複雑で、人々がそれについてほとんど何も知らないかということに魅了されたのを覚えています」と、現在バイオエンジニアリングの博士課程4年生であるカスナーさんは回想する。「私はいつも宇宙についての新たな真実を明らかにしたいと思っていました。」
それからほぼ 20 年が経ち、カスナーは現在 MIT で、化学工学教授のヘザー・クリクと生物工学教授のフォレスト・ホワイトの研究室で、金属酵素と呼ばれるタンパク質の難しいサブセットを研究しています。父親との旅先での議論を刺激したのと同じ好奇心で、カスナーは、計算とメカニズムのアプローチを通じて酵素の化学的および医学的可能性を活用したいという願望に突き動かされています。
カスナー氏の研究は、最先端の計算手法を用いて酵素の反応性に関する基本的な設計図を明らかにすることを目的としています。しかし、彼の研究へのアプローチには、物理学、化学、生物学だけでなく、幼少期から彼の生活に欠かせない要素となっている芸術も含まれています。カスナー氏は分子システムの美しい 3D イラストを作成し、彼の研究をより幅広い聴衆に理解しやすくしています。
「科学を、まるで触れられるかのようなリアルな形で見ることは、棒グラフやヒストグラムよりもインパクトがある」と彼は言う。「科学者が、自分たちの研究を魅力的で興味深い形で示すことにもっと力を入れれば、科学に関わる人が増えるだろう。」
形と機能が同等
カストナー氏の研究は、量子化学計算、タンパク質工学、バイオインフォマティクス、有機合成化学、哺乳類組織モデルにまで及びます。同氏はブリガムヤング大学で生物物理学の学士号を取得し、MIT で博士課程を開始してからは、金属酵素に焦点を絞ることを決意しました。
金属酵素の中でも、カストナー氏は高原子価金属酵素に注目することにしました。高原子価金属酵素には、多くの電子を失った反応性の高い金属原子が含まれており、電子を取り戻すために積極的に反応します。彼の個人的なお気に入りは、化学反応のレパートリーが広く、人間の健康に直接応用でき、活性部位を調整して新しい反応性を作り出すことができることから、非ヘム鉄酵素です。
しかし、古い酵素に新しい反応性を与えるのは簡単ではない。Kulik 研究グループの元メンバーと共同執筆した彼の最初の論文は、その理由を明らかにした。
カストナー氏の研究では、通常は反応しない C–H 結合を活性化する 2 つの高原子価酵素である非ヘム鉄ハロゲナーゼとヒドロキシラーゼの機構的相違について調査しています。構造データベースと分子動力学シミュレーションの傾向を調査することで、彼は基質配置角度の微妙な違いをもたらし、反応性に影響を与える重要な相互作用を特定しました。カストナー氏の計算結果は、ハロゲナーゼとヒドロキシラーゼを変換する新しい方法を示唆しています。
酵素の構造に対する直感は大いに役立ちますが、時には構造を超えた理解が必要になることもあります。「酵素の核に金属を加えると、モデル化がはるかに難しくなります」と彼は言います。「反応性を理解するには、独自の最先端のツールが必要です。そのため、私たちの研究では量子化学計算が非常に必要なのです。」
自然界で最も効率的な触媒の秘密を解明するには、可能な限り最も鋭いレベルでの観察が必要です。特定の酵素の構造と反応性は、酵素に含まれる電子間の相互作用によって決まるため、量子コンピューティング手法が頼りになります。
酵素全体を量子力学のレンズから見る重要性は、カスナー氏の最新の論文で研究の最前線に現れました。カスナー氏と共同研究者は、ある種の小型人工金属酵素の反応性が動的電荷分布の変化によって制御されていることを発見しました。これは、酵素の構造全体にわたって電子と電荷がどのように変動するかを見る方法と考えることができます。
「生命がどのように機能するかに興味があるなら、酵素とタンパク質を調べるのが理にかなっています」と彼は言います。「酵素は、物理学と化学を結びつけるために進化が考え出した機械です。」
「私はずっとその疑問に興味を持っていました」と彼は続ける。「純粋に数学的な物理法則から、感情を持つ生きた生物に至るまで、どのようにしたらよいのでしょうか？」
科学の芸術
研究に加えて、カストナーはBlenderやVMDなどの3Dグラフィックプログラムを使用して高分子システムとその相互作用を視覚化しています。彼の作品は、 自然 そしてその アメリカ化学会しかし、彼が最初に芸術の世界へ足を踏み入れたのは、もっと単純なものでした。
「何でも描いていました」と彼は言う。「それが私の遊びでした。絵を描き、両親に描いてもらうように頼み、会う人すべてに『これを描いてもらえますか？』と尋ねていました。」
カスナー氏の母親は自然からインスピレーションを得た超写実的な芸術を制作し、幼い頃から彼に最も大きな芸術的影響を与えた。カスナー氏は、祖父母の家にかかっていたスクラッチボードで母親が描いた写実的なオオヤマネコが、子供の頃特に刺激的だったと説明した。
彼は高校時代、伝統的な芸術をかなり真剣に学んでいました。木炭や油絵の具を使って作品を制作し、数々のコンテストで優勝しましたが、これらのスキルを学問にどのように応用できるかはわかりませんでした。
「当時は、芸術と科学への愛をどう両立させればいいのか分かっていませんでした」と彼は言う。「まだ両者は全く違う感じがして、私が話した人の中で両者を融合させようとする人は誰もいませんでした。」
しかし、もし彼が15世紀後半のイタリアで成人していたら、そうはならなかったかもしれない。ルネッサンスはさまざまな分野の境界を見なかった人物によって定義され、おそらくカストナーがこれまでで最も好きな科学者であるレオナルド・ダ・ヴィンチほど不朽の名声を博した人物はいないだろう。
「現代解剖学と生理学の祖として広く認められている人物が、『モナ・リザ』を描いた人物でもあるというのは、実に驚くべきことです」と彼は言う。「科学と芸術を調和させることができるダ・ヴィンチのような人物がもっといたら、世界はもっと良い場所になると思います。」
実際、そうであれば科学者への信頼の低下も緩和されるだろうと彼は考えている。査読付きの論文は、複雑な実験を再現性のある形で記述する必要があるため、内容が濃く専門的だが、それはつまり、一般の人には理解できない可能性が高いということだ。芸術がその溝を埋めるのに役立つのは、まさにこの点だ。
「一般の人々に伝わるような方法で科学を伝えれば、不信感は自然にいくらか解消されると思います」と彼は言う。「私たちはこれまで通り論文を書き続ける必要があります。それを避ける方法はありません。しかし、科学アートは、この情報をよりアクセスしやすくするのに役立ちます。難解なデータを親しみやすく共感できるビジュアルに変換することで、研究者は、芸術という普遍的に共有されている言語を通じて、あらゆる年齢や背景を持つ人々に科学に触れるよう招待することができます。」
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