一分子計測による回転分子モーターＦ型ＡＴＰ合成酵素の回転機構の解析

• Project/Area Number: 13J09730
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 曽我 直樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: ATP合成酵素 / 微細加工 / マイクロチャンバー / 膜輸送体 / F型ATP合成酵素 / バイオセンサー / 生体膜 / トランスポーター / マイクロデバイス / 能動輸送 / 受動輸送 / 一分子計測

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ATP合成酵素(以下、FoF1)のプロトン輸送と回転運動の共役機構の解明を目的としている。これを行うため、一分子レベルでこれら二つを同時に可視化することが有力な手段と考えられる。これまでに、微細加工技術を用い、脂質二重膜により閉ざされたチャンバー (体積: ~fL)をアレイ化したデバイス(ALBiC)を開発した。この実験系により、ATP合成酵素一分子のプロトン輸送活性だけでなく、様々な一分子膜輸送体の輸送活性を高感度に検出する事が可能になった。また、さらなる高感度・高速検出を目指し、リポソームと同等の体積である~100 aLまで小さくしたaL-ALBiCを開発し、原著論文として発表された。
この脂質膜デバイス上におけるATP合成酵素の回転運動観察も成功している。しかし、ATP合成酵素の脂質膜デバイスへの再構成が制御出来ないため、再現性が著しく悪いという問題点があった。そこで、特殊な界面活性剤を用いた新規再構成方法を開発した。この手法により、再構成効率が向上しただけでなく、これまで制御できなかった再構成される膜輸送体の方向性までも制御が可能になった。また、この手法は脂質膜デバイスだけに限らず、人工膜小胞においても容易な膜輸送体の再構成が可能になる事から汎用性に優れており、今後原著論文として投稿する予定である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Single molecule analysis of membrane transporter activity by using a microsystem (2016)
  • Author(s): Watanabe, R., Soga, N., Ohdate, S., Noji, H.
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: NA
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Novel nano-device to measure voltage-driven membrane transporter activity (2016)
  • Author(s): Watanabe, R., Soga, N., & Noji, H.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nanotechnology Volume: 15 Issue: 1 Pages: 70-73
  • DOI: 10.1109/tnano.2015.2498167
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Attolitre-sized lipid bilayer chamber array for rapid detection of single transporters (2015)
  • Author(s): Soga, N., *Watanabe, R., & Noji, H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 11025-11025
  • DOI: 10.1038/srep11025
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-throughput formation of lipid bilayer membrane arrays with an asymmetric lipid composition (2014)
  • Author(s): Watanabe R., Soga N., Yamanaka T. & Noji H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Issue: 1 Pages: 7076-7076
  • DOI: 10.1038/srep07076
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Attoliter-sized arrayed lipid bilayer chamber system for higher sensitive transporter assay (2014)
  • Author(s): Soga N., Watanabe R., Yamanaka T. & Noji H.
  • Journal Title: Proceedings of 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2014) Volume: 2014 Pages: 1808-1811
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High throughput formation of sub-million lipid membrane arrays with an asymmetric lipid composition (2014)
  • Author(s): Watanabe R., Soga N., Yamanaka T. & Noji H.
  • Journal Title: Proceedings of 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2014) Volume: 2014 Pages: 4519-4519
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Arrayed lipid bilayer chambers allow single-molecule analysis of membrane transporter activity (2014)
  • Author(s): Watanabe R., Soga N., Fujita D., Tabata K. V., Yamauchi L., Kim S. H., Asanuma D., Kamiya M., Urano Y., Suga H. & Noji H.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Issue: 1 Pages: 4519-4519
  • DOI: 10.1038/ncomms5519
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Toward simultaneous observation of conformational dynamics and proton transport in FoF1-ATP synthase (2015)
  • Author(s): 曽我直樹
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川、金沢)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Atto-literサイズセルを用いた一分子膜輸送体活性の超高感度・高速計測系 (2015)
  • Author(s): 曽我直樹
  • Organizer: 第10会日本トランスポーター研究会
  • Place of Presentation: 慶応大学(東京、港区)
  • Year and Date: 2015-06-20
  • Invited
• [Presentation] Attoliter-sized arrayed lipid bilayer chamber system for higher sensitive transporter assay (2014)
  • Author(s): Soga N., Watanabe R., Yamanaka T. & Noji H.
  • Organizer: Proceedings of 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2014)
  • Place of Presentation: San Antonio, USA
  • Year and Date: 2014-10-26 – 2014-10-30
• [Presentation] Fast measurements of membrane transporter activity with attoliter-sized arrayed lipid bilayer chamber system (2014)
  • Author(s): Soga N., Watanabe R. & Noji H.
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター、北海道
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Fast fluorescence detection of single transporter activity with attoliter-sized arrayed lipid bilayer chamber system (2014)
  • Author(s): Soga N., Watanabe R. & Noji H.
  • Organizer: RSC International Tokyo Conference
  • Place of Presentation: Makuhari Messe,Chiba
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-05
• [Presentation] Single molecule rotation assay of FoF1 on arrayed lipid bilyaer chamber system (ALBiCs) (2014)
  • Author(s): Soga N., Watanabe R. & Noji H.
  • Organizer: 18th European Bioenergetics Conference
  • Place of Presentation: Lisbon, Portugal
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-17
• [Presentation] Navel method for high throughput formation of lipid membrane arrays (2014)
  • Author(s): Naoki Soga
  • Organizer: 56^<th> american biophysical society annual meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2014-02-18
• [Presentation] Lipid bilayer chamber array system for massive measurement of transporter activity (2013)
  • Author(s): Naoki Soga
  • Organizer: 第51回生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都・国立京都国際会館
  • Year and Date: 2013-10-29