一分子観察法による生体分子の並進拡散運動と分子内構造変化の相関の解明

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 21107515
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 聡 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30283641)
• Project Period (FY): 2009 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2010: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2009: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: タンパク質 / 一分子蛍光観察 / 並進拡散運動 / βラクトグロブリン / 一分子観察 / タンパク質の折り畳み / 蛍光測定装置 / β-ラクトグロブリン / マイクロ加工技術

Research Abstract

本研究では、タンパク質が一分子レベルで溶液中を拡散する過程を直接観察し、タンパク質の流体力学的半径を計測する方法を開発すること、さらに、タンパク質の構造変化を同時観測することで分子内の構造変化と溶媒との衝突によって引き起こされる並進運動の関わりを計測することを目的とした。研究実施項目として、タンパク質の拡散運動を計測するために、セルの前後に取り付けたバルブをコントロールすることで溶液をセル中で完全に止める実験方法を確立した。次に、蛍光色素の位置の時間変化を確定し、位置の時間変化から拡散定数を求めるための方法を検討した。その結果、一般に行われている平均二乗変位の時間変化をプロットする方法よりも、拡散幅の分布関数をガウスフィットして幅を求め、その時間変化をプロットする方法の方がより正確な拡散定数を求められることを見いだした。以上の基礎データを積み重ねた後に、蛍光色素、蛍光ピース、βラクトグロブリンなどについて、一分子レベルでの拡散運動観察を行った。まず、蛍光色素単体と蛍光ビーズの拡散運動を観察したところ、それぞれに期待される分子量に応じた拡散運動の違いが確認された。次に、βラクトグロブリンを蛍光色素でラベルし、さまざまな変性状態において拡散運動を観察したところ、拡散運動を早く示す成分と遅く示す成分があり、それぞれ蛍光強度が異なることを見いだした。これは、一分子レベルで拡散運動を観察することで、試料の不均一性を見いだしたはじめての例である。

Research Products

• [Journal Article] 新しいタンパク質科学の可能性-新時代を切り拓くマルチタレントDavid Baker- (2011)
  • Author(s): 鎌形清人、高橋聡
  • Journal Title: 化学(化学同人) Volume: 1 Pages: 68-69
• [Journal Article] Staring at a protein : ensemble and single molecule investigations on protein folding dynamics (2010)
  • Author(s): 高橋聡, 鎌形清人
  • Journal Title: Advances in Chemical Physics (未定, in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 蛋白質を基板から解き放つ:蛋白質の折り畳み運動の解明を目指した一分子観察法の開発 (2009)
  • Author(s): 高橋聡・鎌形清人
  • Journal Title: BIOINDUSTORY 26 Pages: 7-14
• [Journal Article] 一分子測定法による蛋白質の折り畳み研究の展開 (2009)
  • Author(s): 鎌形清人・木下雅仁・高橋聡
  • Journal Title: 生物物理 49 Pages: 282-286
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 一分子時系列データ観察によるタンパク質の自由エネルギー地形の探索 (2010)
  • Author(s): 高橋聡
  • Organizer: 分子アンサンブル2010
  • Place of Presentation: 理化学研究所(招待講演)
  • Year and Date: 2010-11-05
• [Presentation] 一分子測定法によるβ-ラクトグロブリンの蛍光強度変化と拡散の観察 (2010)
  • Author(s): 安藤詞音、小井川浩之、櫻井一正、後藤祐児、鎌形清人、高橋聡
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学(招待講演)
• [Presentation] 蛋白質フォールディングの実験的研究:単純な速度論に潜む複雑性を検出できるか? (2010)
  • Author(s): 高橋聡
  • Organizer: 第10回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 札幌(招待講演)
• [Presentation] Staring at a Protein : Single-molecule and Ensemble Investigations of Protein Folding (2009)
  • Author(s): Satoshi Takahashi
  • Organizer: Telluride Workshop on The Complexity of Dynamics and Kinetics in Many Dimensions
  • Place of Presentation: アメリカ、コロラド州、テルライド市
• [Book] 蛋白質の可視化とダイナミズム(1): in vitro 系での研究 (2009)
  • Author(s): 高橋聡(部分執筆)
  • Publisher: 化学同人