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ホジキンは、点模様からどうやって分子の形を調べたの？：内容をイメージした挿絵
科学者たち

ホジキンは、点模様からどうやって分子の形を調べたの？

結晶にX線を当てると現れる、不思議な点模様。ドロシー・ホジキンたちは、それを手がかりに分子の立体構造へ近づいたんだ。写真と模型の間にある仕事をたどろう。

執筆・編集：Eggplanet公開：更新・資料確認：

まず、ひとことで

ホジキンたちは、結晶が作るX線の点模様を測り、計算や化学の知識を組み合わせて、原子の並び方を調べたよ。点がそのまま原子の写真なのではない。観測に合う立体模型を組み立て、確かめることが大切なんだ。

とても小さな分子を、どうやって調べる？

手に持った積み木なら、回して眺めると形が分かるね。でも、体の中で働く物質の分子は、とても小さく、普通の虫めがねでは部品の並び方まで見えない。分子とは、原子という小さな部品が結び付いたまとまりだよ。同じ名前の部品を知っていても、どこへどう並んでいるかまで分かるとは限らない。そこで、形を教えてくれる別の手がかりが必要になるんだ。

ドロシー・クローフット・ホジキンは、結晶とX線を使って、生きものに関わる物質の構造を調べた科学者だよ。ペニシリンやビタミンB12、インスリンなどの研究に取り組んだ。ここで注目するのは、物質を発見した人という肩書きではなく、見えないほど小さな世界をどう確かめたか。実験で得る記録と、その記録から組み立てる説明の間をたどってみよう。

結晶へX線を当てると、点の模様ができる

結晶は、原子や分子の並びが規則正しく繰り返されている物質だよ。生きものの体を作るタンパク質にも、条件を整えると結晶になるものがある。ホジキンが調べたインスリンも、タンパク質の仲間だ。結晶を作るのは、ただ大きくして見やすくするためではない。たくさんの分子が整列した状態を使い、構造に関する信号を測るためなんだ。

そこへ、光と同じ電磁波の仲間で、目には見えないX線を当てる。結晶で散らばったX線は、波として強め合ったり弱め合ったりする。その結果、フィルムや検出器に特徴のある点模様が記録されるよ。この現象を利用する方法が、X線結晶構造解析だね。点の場所や強さには、結晶の中の並び方についての情報が含まれる。最初の図は、記録を構造へつなぐ仕事の流れを整理したものだよ。

結晶へX線を当てて点模様を記録し、追加情報と計算で電子密度の地図を求め、化学の知識と合わせて立体模型を作る流れ。
点模様から構造へ、いくつもの仕事をつなぐ

解析の考え方を示す模式図。点模様は原子の写真そのものではないよ。点の配置や模型は説明用の記号で、実測データや特定の分子の構造ではない。追加実験や位相を求める詳しい方法は省略しているよ。

出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図

点一つが、原子一つを写しているわけではない

点模様を見て、黒い点をそのまま原子の位置へ置き換えればよい、と思うかもしれないね。でも、それは違う。点は、結晶全体で散らばった波が組み合わさってできる信号なんだ。普通のカメラで積み木の輪郭を撮る写真とも違うよ。形についての情報はあるけれど、形そのものが一枚の絵として、そのまま写っているわけではないんだ。

研究者は点の強さなどを測り、追加の実験や手がかりも使って計算する。強さを測るだけでは、構造を求める情報が十分にそろわないからだよ。そうして、原子の周りにある電子が、どこにどのくらい分布するかを表す地図を求める。これを電子密度の地図というんだ。その地図と、原子がどう結び付くかという化学の知識を合わせて、立体的な並びの候補を作っていくよ。

1935年の記録から、長い研究へ

ホジキンは、大学で化学を学び、結晶の研究に進んだよ。1934年には、オックスフォードのサマーヴィル・カレッジで化学を教える仕事に就いた。翌1935年には、インスリンの結晶でX線の点模様を記録している。でも、その年に、インスリンの立体構造が全部分かったわけではなかったんだ。きれいな記録が得られることと、記録を解けることの間には、大きな仕事があったよ。

インスリンの構造が報告される1969年までは、1935年から数えると34年ある。その間、ホジキンは別の物質の研究にも取り組んだ。ペニシリンやビタミンB12の構造を調べる仕事が進み、複雑なデータの処理には、初期の電子計算機も使われたんだ。同じ写真を長い間眺めただけではない。測り方、計算、考え方、人との協力が積み重なって、難しい問いに近づいていったんだね。

ノーベル賞は、インスリンの構造報告より前

ホジキンは1964年にノーベル化学賞を受賞したよ。生化学的に重要な物質の構造を、X線の方法で明らかにした仕事が評価されたんだ。ペニシリンやビタミンB12などの研究が、この受賞につながっている。だから「1969年に分かったインスリンの立体構造で、1964年に賞をもらった」と年を逆につなげないようにしよう。年表は、有名な出来事の順番を確かめる道具にもなるね。

その後の1969年、ホジキンたちのチームは、インスリンの結晶の立体構造を報告した。ここでの「たち」は大事だよ。結晶を扱う、データを集める、計算する、模型を検討する仕事は、一人のひらめきだけではない。二つ目の図では、最初の記録、ほかの物質の研究、受賞、インスリンの構造報告を並べた。賞を受けた日が、研究の終わりだったわけでもないんだ。

1935年のインスリン結晶のX線記録、1950年代のビタミンB12研究、1964年のノーベル化学賞、1969年のチームによるインスリン構造報告の順序。
最初の記録、受賞、構造報告は別の出来事

主な出来事を選んだ年表。ノーベル賞は、インスリンの立体構造報告より前だよ。間隔は年数に比例していないし、すべての研究を載せたものでもない。一人だけで進めた研究という意味ではないんだ。

出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図

作った模型が、観測と合うか確かめる

立体模型は、好きな形を自由に作る工作とは違うよ。原子が結び付く距離や角度といった条件にも、実験の記録にも合う必要がある。今の構造研究の解説では、模型から予想される点模様と、実際に観測した模様を比べて確かめることも紹介されている。模型は答えを飾るものではなく、データを説明できるか検討するためのものなんだ。

また、どの実験でも細部まで同じ確かさで見えるわけではないよ。結晶の整い方や分子の動きによって、地図がはっきりしない部分もある。分解能という、どれくらい細かい違いを区別できるかの目安も大切なんだ。「原子の並びが分かった」という言葉を、全ての原子を全く誤差なく見た、と読み替えないでね。何を測り、どこまで区別できたかも、構造の説明の一部だよ。

分子の形を知ると、次の問いが生まれる

分子の立体構造を調べると、ほかの分子と出会う場所や、働きに関わりそうな部分を考える手がかりになる。体の中の働きを、部品の名前だけでなく、空間的な配置から考えられるようになるんだ。ただし、形が一つ分かっただけで、体の中の全ての動きや病気の治し方が決まるわけではない。働きを確かめる別の実験も必要だよ。

今はX線結晶構造解析のほかにも、電子顕微鏡などを使う構造研究がある。方法によって、得意な対象や得られる情報は違うんだ。この記事で説明した解析の流れは、考え方をつかむための一般的な整理で、ホジキンの全ての実験が同じ手順だったという意味ではないよ。過去の成果を読むときも、現在の道具や方法を、そのまま昔へ当てはめないようにしよう。

どっとと考えよう：記録と、そこから考えた形

同じ大きさの小さな箱を二つ用意し、一つのすぐ後ろに、もう一つを隠すように並べてみよう。正面の輪郭だけなら、一つの箱の場合と似て見えるかな。上から見るなど、別の手がかりがあれば違いを見つけられるね。これは、限られた記録だけでは形を一つに決めにくいことを考える工作だよ。X線の点模様が箱の影と同じ仕組みだ、という意味ではないんだ。

紙に「観測した点模様」「計算や化学の知識」「立体模型」の三枚のカードを描いて、つないでみよう。どれが直接測ったもの、どれがそこから考えて作るものかな。1935年、1964年、1969年も順に並べると、分かったことと、まだ研究中だったことを区別できるね。ホジキンたちの仕事は、小さな世界を見るために、測定と考える道具を一緒に育てた物語なんだ。

ことばのメモ

結晶
原子や分子の並びが、規則正しく繰り返されている物質。
X線結晶構造解析
結晶で散らばるX線の模様などを調べ、計算も使って原子の並びを求める方法。
電子密度
ある場所に、電子がどのくらい分布しているかを表す量。構造を考える地図の手がかりになるよ。
立体構造
部品が平面だけでなく、奥行きを含む空間にどう並んでいるかということ。
分解能
実験の記録で、どれくらい細かい違いまで区別できるかを表す目安。

もとになった資料・もっと知りたい人へ

下記の資料をもとに、説明と考える問題を独自に構成しています。外部資料には英語のページもあります。どっとの画像は案内用のイラストで、観測写真や科学的な図ではありません。

分かりやすくするために、説明を短くしたり、たとえ話を使ったりしています。まちがいを見つけたらお問い合わせへお寄せください。制作方法は編集方針、いっしょに読むときのヒントは保護者・先生へで紹介しています。