Molecular mechanism of the clustering-dispersion dynamics coupled to the channel gating.

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 16H00759
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 老木 成稔 福井大学, 学術研究院医学系部門, 教授 (10185176)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2016: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: イオンチャネル / 脂質二重膜 / in vitro転写翻訳 / チャネル形成毒素 / コレステロール / 脂質平面膜法 / 原子間力顕微鏡 / 膜物性 / 脂質平面膜 / 蛋白質 / 生体分子 / 生理学 / 生理活性 / シグナル伝達

Outline of Annual Research Achievements

チャネルの動態を一分子レベルで明らかにするために、脂質平面膜にチャネルを再構成し、チャネル機能と構造変化、さらに膜内での離合集散状態を原子間力顕微鏡によってとらえることが目的である。
まず技術的に向きを揃えてチャネルを膜に組み込むことに成功した。原子間力顕微鏡でチャネルの細胞外表面構造を明らかにしただけでなく、この面に特異的に結合するペプチド毒を作用させ、その結合を捉えることでチャネルの向きを証明した。集合・離散に関しては向きをそろえた場合にも起こることを確認することができた。この方法を元に、膜組成を変えたときにチャネルの集合・離散がどう変化するか、を系統的に実験し、リン脂質組成で集合状態が大きく変わることを明らかにした。原子間力顕微鏡による実験は高速測定も含めさらに精度が上がった。
一方、チャネル機能に関しては新しく開発した液滴接触2重膜法によって、膜の脂質組成を急速に変化させることに成功した。この方法により脂質2重膜に急速にコレステロールを加えるとKcsAカリウムチャネルは直ちにその活性を消失した。しかしコレステロールの注入を止めると、チャネル機能は短時間で回復した。このような可逆的なチャネル機能制御が明らかになったのは初めてである。
他のリン脂質組成では脂質2重膜を形成できないことがあった。これは当該リン脂質の相転移温度が室温より高いからである。このような場合、チェンバーの温度を急速に上げることで脂質2重膜が形成された。十分高い温度になればどんなリン脂質組成でも脂質2重膜が形成できることになり、実験の多様性が広がった

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Concurrent In Vitro Synthesis and Functional Detection of Nascent Activity of the KcsA Channel under a Membrane Potential (2018)
  • Author(s): Iwamoto M, Elfaramawy MA, Yamatake M, Matsuura T, Oiki S
  • Journal Title: ACS Synthetic Biology Volume: 7 Issue: 4 Pages: 1004-1011
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00454
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure and dynamics of solvent molecules inside the polytheonamide B channel in different environments: a molecular dynamics study (2018)
  • Author(s): Kalathingal Mahroof、Sumikama Takashi、Mori Toshifumi、Oiki Shigetoshi、Saito Shinji
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 5 Pages: 3334-3348
  • DOI: 10.1039/c7cp06299k
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lipid Bilayers Manipulated through Monolayer Technologies for Studies of Channel-Membrane Interplay (2018)
  • Author(s): Oiki S, Iwamoto M
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 41 Issue: 3 Pages: 303-311
  • DOI: 10.1248/bpb.b17-00708
  • NAID: 130006407489
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Entrance of Channel Determines Ion Permeation Rate through the Kv1.2 Channel (2018)
  • Author(s): 炭竈 享司、老木 成稔
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 58 Issue: 1 Pages: 012-016
  • DOI: 10.2142/biophys.58.012
  • NAID: 130006322043
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Channel Formation and Membrane Deformation via Sterol-Aided Polymorphism of Amphidinol 3 (2017)
  • Author(s): Iwamoto M, Sumino A, Shimada E, Kinoshita M, Matsumori N, Oiki S
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 10782-10782
  • DOI: 10.1038/s41598-017-11135-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Membrane Perfusion of Hydrophobic Substances Around Channels Embedded in the Contact Bubble Bilayer (2017)
  • Author(s): Iwamoto M, Oiki S
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 6857-6857
  • DOI: 10.1038/s41598-017-07048-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Oriented Reconstitution of the Full-Length KcsA Potassium Channel in a Lipid Bilayer for AFM Imaging (2017)
  • Author(s): Ayumi Sumino, Takayuki Uchihashi and Shigetoshi Oiki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 8 Issue: 4 Pages: 785-793
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b03058
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 生物物理学会における多様性 (2017)
  • Author(s): 豊島 有、飯野 雄一
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 57 Issue: 1 Pages: 001-001
  • DOI: 10.2142/biophys.57.001
  • NAID: 130005296440
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rectified Proton Grotthuss Conduction Across a Long Water-Wire in the Test Nanotube of the Polytheonamide B Channel. (2016)
  • Author(s): Matsuki, Y., Iwamoto, M. Mita, K., Shigemi, K., Matsunaga, S., and Oiki
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 138 Issue: 12 Pages: 4168-4177
  • DOI: 10.1021/jacs.5b13377
  • NAID: 120006226473
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Digitalized K+ Occupancy in the Nanocayity Holds and Relases Queues of K+ in a Channel. (2016)
  • Author(s): Sumikama,T. and Oiki,S.
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. Volume: 138 Issue: 32 Pages: 10284-10292
  • DOI: 10.1021/jacs.6b05270
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] コレステロールがKcsAカリウムチャネル機能に及ぼす影響(Effects of cholesterol on the function of the KcsA potassium channel) (2017)
  • Author(s): 岩本真幸、老木成稔
  • Organizer: 第94回日本生理学会大会（アクトシティ浜松、浜松）
• [Presentation] 脂質二重膜がカリウムチャネル開閉に及ぼす多様な影響(Specific and non-specific actions of membrane lipids on the gating of the potassium channel) (2017)
  • Author(s): 岩本真幸、老木成稔
  • Organizer: 日本生物物理学会第55回年会（熊本大学、熊本）シンポジウム「いろんなスケールで働く膜タンパク質の作動原理：実験と理論の新展開（Operating principles of membrane proteins at multiscale resolutions）」
• [Presentation] KcsAカリウムチャネル膜相と作用のための一分子実験法 (2017)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 蛋白研セミナー(招待講演)
• [Presentation] Ion Permeation and Gating of the KcsA Potassium Channel Reconstituted in the Manipulated Membrane. (2017)
  • Author(s): Oiki,S.
  • Organizer: Ion Channel Modulation Symposium,Cambridge,UK (招待講演) (国際学会)
• [Book] Dynamics of the Potassium Channel Pore. (2017)
  • Author(s): Oiki,S.
  • Publisher: Reference Module in Life Sciences.
• [Patent(Industrial Property Rights)] 接触液胞2重膜法による膜物性変化の実時間測定法 (2017)
  • Inventor(s): 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Holder: 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-246976
  • Filing Date: 2017
• [Patent(Industrial Property Rights)] 脂質二重膜形成装置、脂質二重膜形成方法、および評価システム (2017)
  • Inventor(s): 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Holder: 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-063796
  • Filing Date: 2017
• [Patent(Industrial Property Rights)] 脂質二重膜形成器 (2017)
  • Inventor(s): 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Holder: 老木 成稔・岩本真幸
  • Industrial Property Rights Type: 意匠
  • Filing Date: 2017
  • Acquisition Date: 2017