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人工ナノ筋肉の超解像イメージングとデータ同化によるメカノ協同現象の理解

Research Project

Project/Area Number 23K20833
Project/Area Number (Other) 21H01053 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research InstitutionNational Institute of Information and Communications Technology

Principal Investigator

岩城 光宏  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 主任研究員 (30432503)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Keywordsメカノバイオロジー / DNAナノテクノロジー / 筋収縮 / 共同現象 / ミオシン / 協同現象
Outline of Research at the Start

生体分子の協同性は、分子の持つ確率的で一過性の動作を確実性の高い持続的な動作に変換し、マクロな生理機能に直結する。協同現象の創発メカニズムを理解することは、ミクロな分子運動とマクロな生理機能をつなぐのに重要となるが、筋肉のようなクラシカルな系においても実験的に検証された例はない。申請者は、筋ミオシン集団内の個々のミオシンの連携を実験的に検証可能なシステム「人工ナノ筋肉」を用い、その協同現象の直接可視化を行う。フォースセンサを組み込んだ人工ナノ筋肉の超解像イメージングと弾性ネットワークモデルを組み合わせて筋サルコメア構造内のミオシンがマクロな運動機能を創発する仕組みを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、 独自に開発した人工ナノ筋肉を用いて筋ミオシンの協同現象の直接可視化を行うのが目的である。昨年度までに、筋ミオシンの協同現象を可視化するためのフォースセンサを人工ナノ筋肉に組み込むことに成功した。本年度では、筋ミオシンをDNAオリガミの足場構造に連結して、運動時の蛍光シグナルの観察を行った。これまで、本研究室では、ヒト骨格筋ミオシンIIaの発現に成功し実験に利用していたが、骨格筋ミオシンはアクチンとのアフィニティが低く本実験の難易度が上がるため、アフィニティの高いヒト心筋ミオシンβを新たに発現し実験に用いることにした。骨格筋ミオシンよりも発現量は落ちるが運動活性のあるサンプルの精製に成功した。このミオシンを連結した人工ナノ筋肉もアクチン上でプロセッシブに運動することを確認し、フォースセンサ由来の蛍光シグナルも得ることができた。しかしながら、観察に用いていたTIRF顕微鏡の不具合により蛍光画像の解析を定量的に行うのに十分な画像データを得ることができなかったため、顕微鏡の補修作業に時間を要した。そのため、計画の延長が必要となったが、最終的には、人工ナノ筋肉がアクチンフィラメント上をプロセッシブに運動時に、フォースセンサ由来の蛍光シグナルを観察することに成功した。複数個の筋ミオシン分子から構成される人工ナノ筋肉内部の力学的なコミュニケーションを蛍光によって直接可視化した世界で初めての観察であり、シミュレーション予測と合わせることで、協同現象の詳細の理解が進むと期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

蛍光観察を行うためのTIRF顕微鏡の不具合によって補修作業に時間を要したが、活性のある心筋ミオシンβの精製に成功し、このミオシンを組み込んだ人工ナノ筋肉の運動観察および、フォースセンサ由来の蛍光シグナルの取得にも成功しているので、おおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

ミオシンの空間配置によって、異なる協同現象を生み出すことが私たちのシミュレーションから予測されているため、ガラスにランダムに固定したミオシン集団での観察、人工ナノ筋肉で、天然の筋肉内で観察されるようなミオシン空間配置での観察、天然構造とは異なるミオシン空間配置を持つ人工ナノ筋肉での観察を行い、フォースセンサ由来の蛍光シグナルの時空間パターンの解析を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 8 results) Book (5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Autoregulation and dual stepping mode of MYA2, an Arabidopsis myosin XI responsible for cytoplasmic streaming2022

    • Author(s)
      Haraguchi Takeshi、Ito Kohji、Morikawa Takamitsu、Yoshimura Kohei、Shoji Nao、Kimura Atsushi、Iwaki Mitsuhiro、Tominaga Motoki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-07047-0

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The synergic role of actomyosin architecture and biased detachment in muscle energetics: insights in cross bridge mechanism beyond the lever-arm swing2021

    • Author(s)
      L. Marcucci, H. Fukunaga, T. Yanagida, M. Iwaki
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 22 Issue: 13 Pages: 7037-7037

    • DOI

      10.3390/ijms22137037

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamic coordination of the lever-arm swing of myosin II in DNA origami-based thick filament2023

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      67th annual meeting of Biophysical Society, Motility and Cytoskeleton Subgroup Symposium
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNA-based Force Sensor for Mechanosystems Single-molecule Biology2023

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      International Symposium on Mechanobiology for Human Health: 8 years progress in The AMED-CREST/PRIME project on mechanobiology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNAナノデバイスと高解像1分子計測から観る生命のメカノシステム2022

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      第71回 高分子討論会「バイオ高分子で生命システムを見る・創る・操作する」
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ミオシンの先端1分子計測から観る柔軟で適応的な生体運動システムの設計原理2022

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      第45回 日本分子生物学会年会ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] DNAを材料とした世界最小のコイル状バネの開発と利用方法2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      JST主催新技術説明会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] DNA-based force sensor for single-molecule machanobiology2021

    • Author(s)
      Mitsuhiro Iwaki
    • Organizer
      51st IFReC Colloquium
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] DNAナノデバイスの開発とメカノバイオロジー研究への応用2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      JST-CRDS, 俯瞰ワークショップ(ライフサイエンスとナノテク・材料の融合)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] DNAナノデバイスと単分子計測の融合から拓く分子メカノバイオロジー2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      第2回ATIバイオ単分子研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] DNAナノデバイスを活用したフォースセンサーと細胞の高解像力学計測技術開発2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Organizer
      第4回 AMED-CREST/PRIME メカノバイオロジー分科会「機器・技術の開発と最適化」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Book] DNA origami -Structures, Technology and Applications-2022

    • Author(s)
      Mitsuhiro Iwaki
    • Total Pages
      13
    • Publisher
      John Wiley & Sons
    • ISBN
      9781119682561
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 月刊「化学工業」Vol.73, No.11 <特集>最近の材料技術の開発と応用I2022

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Total Pages
      8
    • Publisher
      小峰工業出版
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 「生体の科学」特集「新組織学シリーズII:骨格筋ー最新の筋病学を中心に」2021

    • Author(s)
      岩城光宏、柳田敏雄
    • Total Pages
      5
    • Publisher
      医学書院
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Book] 月刊バイオインダストリー「DNAを材料とした世界最小のコイル状バネの開発と利用方法」2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Total Pages
      10
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Book] MDP技術予測レポート「DNAを材料とした世界最小のコイル状バネが拓く新しい生命科学研究の世界」2021

    • Author(s)
      岩城光宏
    • Total Pages
      11
    • Publisher
      MDP
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] Mechanosystems Single-molecule Biology

    • URL

      http://www.qbic.riken.jp/cdo/iwaki-subg/index.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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