モータータンパク質の揺らぎと性能の相関を調べる超高速光学顕微鏡の開発

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 21107517
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 飯野 亮太 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (70403003)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2010: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2009: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 分子モーター / 1分子計測 / 1分子イメージング / ATP合成酵素 / 暗視野顕微鏡 / 金コロイド / 光学顕微鏡 / ゆらぎ

Research Abstract

1分子蛍光イメージングに用いられる対物型エバネッセント照明光学系をもとに新しいレーザー暗視野光学系を開発し、回転分子モーターF_1-ATPaseの高時間・高空間分解能計測に適用した。
構築した計測システムの光学系は、従来の全反射型蛍光顕微鏡(エバネッセント顕微鏡)に用いられるものとほぼ同じである。新システムでは、ダイクロイックミラーの代わりに中心部が光を透過するミラーを配置しているだけである。試料を照明するレーザー光はミラーで反射され検出器(Hi-speed camera)には入らないが、試料由来の散乱光はミラーの中心部を通って検出器に投射され暗視野像が得られる。照明光を励起光としても利用すれば,暗視野像と蛍光像を同時に取得することも可能である。さらに通常の暗視野顕微鏡と異なりコンデンサーレンズを必要としないので試料上部にスペースを確保でき、マイクロマニピュレーターや細胞培養装置等との併用もできる。直径40nmの金コロイドをプローブとした際には、時間分解能9.1μs(使用した検出器の限界値)で1.5nm程度の位置決定精度が達成でき、従来の暗視野顕微鏡を用いた以前の報告例(320μsで5～6nmの精度)を大幅に改善できた。さらにこの計測システムをF_1モーターの回転計測に適用した結果、回転停止中のプローブの揺らぎからF_1の涙じり弾性(剛性)が求められた。また回転中のF_1の角速度は一定にならないことが明らかとなり、この結果からF_1のトルクには角度依存性があることが示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Simple dark-field microscopy with nanometer spatial precision and microsecond temporal resolution. (2010)
  • Author(s): Ueno H, Nishikawa S, Iino R, Tabata KV, Sakakihara S, Yanagida T, Noji H.
  • Journal Title: Biophys.J. Volume: 98 Pages: 2014-2023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluctuation theorem applied to F_1-ATPase. (2010)
  • Author(s): Hayashi K, Ueno H, Iino R, Noji H.
  • Journal Title: Phys Rev.Lett Volume: 104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phosphate-release in F_1-ATPase catalytic cycle follows ADP release. (2010)
  • Author(s): Watanabe R, Iino R, Noji H.
  • Journal Title: Nat Chem.Biol Volume: 6 Pages: 814-820
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visualization of ATP levels inside single living cells with fluorescence resonance energy transfer-based genetically encoded indicators (2009)
  • Author(s): Imamura, H., Huynh Nhat, K.P., Togawa, H., Saito, K., Iino, R., Kato-Yamada, Y., Nagai, T., Noji, H.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA. 106 Pages: 15651-15656
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-molecule study on the temperature-sensitive reaction of F_1-ATPase with a hybrid F_1 carrying a single ss (E 190D) (2009)
  • Author(s): Enoki, S., Watanabe, R., Iino, R., Noji, H.
  • Journal Title: J Biol Chem. 284 Pages: 23169-23176
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of inhibition by C-terminal α-helices of the ε subunit of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • Author(s): Iino, R., Hasegawa, R., Tabata, K.V., Noji, H.
  • Journal Title: J Biol Chem. 284 Pages: 17457-17464
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation and Biological Application of Water-In-Oil Microchamber Array Formed on Hydrophobic/Hydrophilic Patterned Surface. (2009)
  • Author(s): Iino R, Sakakihara S, Noji H
  • Journal Title: Proc μTAS 2 Pages: 1121-1123
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分子モーターの性質を調べる1分子計測技術 (2011)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Organizer: (社)日本電気計測器工業会 関西支部 第29回戦略的基盤技術検討委員会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2011-02-07
• [Presentation] ATP合成酵素を1分子技術で視る・操る (2010)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Organizer: 光塾第2回研究会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-12-11
• [Presentation] Single-molecule studies on the fluctuation and function of a rotary motor protein ATP synthase (2010)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: The 4th International Symposium "Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions"
  • Place of Presentation: 大津
  • Year and Date: 2010-11-30
• [Presentation] 1分子技術で生体回転ナノモーターを視る・操る (2010)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Organizer: 特定領域研究「高次系分子科学」若手の会研究会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-11-26
• [Presentation] 中身を出し入れできる細胞サイズのうつわを創る (2010)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Organizer: 細胞を創る研究会3.0シンポジウム「器をつくる」
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2010-11-12
• [Presentation] Fluctuation and function of a rotary motor protein (2010)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会年会シンポジウム「Fluctuation and Function of Biomolecules」
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Single-Molecule Imaging of Ion-Transporting Rotary Motor Protein (2010)
  • Author(s): Ryota Iino, Khek-Chian Tham, Kazuhito V.Tabata, Hiroshi Ueno, Hiroyuki Noji
  • Organizer: International Symposium of Joint Research Network on Advanced Materials and Devices
  • Place of Presentation: Sapporo (Japan)
  • Year and Date: 2010-03-25
• [Presentation] 超微小反応容器を用いた1分子バイオアッセイ (2010)
  • Author(s): 飯野亮太, 野地博行
  • Organizer: 第57回応用物理学関連連合講演会シンポジウム「ナノバイオエンジニアリングの現状と未来像」
  • Place of Presentation: 神奈川県平塚市
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] Fluctuation theorem applied to F_1-ATPase (2010)
  • Author(s): Kumiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Organizer: Biophysical Society 54^<th> Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco (USA)
  • Year and Date: 2010-02-24
• [Presentation] The role of P_i-release as the main torque generating step of F_1-ATPase (2010)
  • Author(s): Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Organizer: Biophysical Society 54^<th> Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco (USA)
  • Year and Date: 2010-02-21
• [Presentation] Simple Total Internal Reflection Dirk-field Microscopy with Nanometer spatial precision and Microsecond Temporal Resolution (2009)
  • Author(s): Hiroshi Ueno, So Nishikawa, Ryota Iino, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • Organizer: The 3^<rd> International Symposium : Molecular Science of Fluctuation toward Biological Functions
  • Place of Presentation: Nagoya (Japan)
  • Year and Date: 2009-12-20
• [Presentation] Direct observation of steps in c-ring rotation of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: JST/CREST Symposium : WBMA'09 (Watching Biomolecules in Action)
  • Place of Presentation: Osaka (Japan)
  • Year and Date: 2009-12-15
• [Presentation] Simple Total Internal Reflection Dirk-field Microscopy with Nanometer spatial precision and Microsecond Temporal Resolution (2009)
  • Author(s): Hiroshi Ueno, So Nishikawa, Ryota Iino, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第47回(2009年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] Stiffness of Y subunit of F_1-ATPase (2009)
  • Author(s): Daichi Okuno, Ryota Iino, Rie Hasegawa, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第47回(2009年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] Mechanism of inhibition by C-terminal α-helices of the ε subunit of Escherichia coil F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • Author(s): Ryota Iino, Rie Hasegawa, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第47回(2009年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] The completion of chemo-mechanical coupling scheme of F_1-ATPase ; The determination of the timing of P_i-release (2009)
  • Author(s): Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第47回(2009年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] Torque measurements of F_1-ATPase by using the fluctuation theorem (2009)
  • Author(s): Kumiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第47回(2009年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2009-10-30
• [Presentation] 36-degree stepping rotation of F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • Author(s): Hiroyuki Noji, Ryota Iino
  • Organizer: International Symposium "Innovative Nanoscience of Supermolecular Motor Proteins Working in Biomembranes"
  • Place of Presentation: Kyoto (Japan)
  • Year and Date: 2009-09-09
• [Book] Fundamental Properties and Structuredited of F_1-ATPase "In Encyclopedia of Biophysics" edited by Roberts G.C. (2011)
  • Author(s): Okuno D, Iino R, Noji H.
  • Publisher: Springer(India)(In press)
• [Book] ATP synthase-Structure and dynamics of the smallest rotary motor proteins. In "Molecular Biology of Assemblies and Machines" edited by Baumeister W, Johnson L, Perham R, and Steven A. (2011)
  • Author(s): Noji H, Iino R.
  • Publisher: Garland(England)(In press)
• [Book] 「第4章 第1節 第1項 生体膜超分子モーター-細胞の回転エネルギー変換装置:ATP合成酵素」超分子サイエンス&テクノロジー (2009)
  • Author(s): 飯野亮太、田端和仁、野地博行
  • Publisher: NTS