はじめに
これまでに、蛍光タンパク質が「タンパク質でありながら光る理由」と、その分子構造的基盤を解説してきました。第3回では、多くの研究者が日常的に使い分けている青・緑・黄・赤といった色の違いがどのように生み出されているのかを分子レベルで整理します。
色の違いを理解することは、単なる知識ではなく、多色解析・FRET設計・in vivoイメージングの成否を左右します。
1. 発光色は「発光波長」で決まる
蛍光タンパク質の色は、人間の目で見た印象ではなく、**発光ピーク波長（emission peak）**で定義されます。
一般的に、
- 短波長（青）ほど高エネルギー
- 長波長（赤）ほど低エネルギー
の光を放出します。この波長の違いは、クロモフォア内部の電子状態に由来します。
2. クロモフォア自体はほぼ同じ
重要な点として、GFP系蛍光タンパク質では、クロモフォアの基本骨格はほぼ共通です。すなわち、
- 色の違いは
- クロモフォア周辺のアミノ酸環境によって生じる
ということです。
クロモフォアのπ電子共役系が、周囲の電荷分布や水素結合ネットワークの影響を受けることで、エネルギー準位が変化します。
3. 単一アミノ酸変異が色を変える理由
GFPからYFPやCFPが作られた背景には、ごく少数のアミノ酸置換があります。
代表例として、
- Tyr66 → Trp（CFP系）
- 周辺残基の極性変化（YFP系）
などが挙げられます。
これらの変異は、
- クロモフォアの電子分布
- 共役系の長さ
- 電子の安定化状態
を微妙に変化させ、結果として発光波長をシフトさせます。
4. 青から赤へ ― 波長シフトの方向性
一般に、
- 共役系が拡張される
- 電子が安定化される
ほど、発光は**長波長（赤側）**にシフトします。
赤色蛍光タンパク質（RFP）では、クロモフォア構造そのものが化学的に拡張されており、GFPとは異なる進化系統を持つ点も重要です。
5. 環境感受性とpH依存性
発光色は、アミノ酸配列だけでなく、
- pH
- イオン強度
- 周囲タンパク質
の影響も受けます。
特にYFP系はpH感受性が高く、
- リソソーム
- 腫瘍低酸素環境
などでは蛍光特性が変化することがあります。
6. 色の理解が実験設計を左右する
色の分子原理を理解すると、
- 多色染色でのスペクトル重なり回避
- FRETペアの合理的選択
- in vivoでの深部観察
が論理的に設計できるようになります。
単に「よく使われているから」という理由でFPを選ぶと、思わぬ失敗につながることがあります。
おわりに
第3回では、蛍光タンパク質の色多様性がどのように生み出されるのかを分子原理から解説しました。次回は、主要な蛍光タンパク質ファミリーと、それぞれの実用的特徴を整理します。