分子モーターの構造揺らぎを調べる超高速配向イメージング法の開発

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107720
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 飯野 亮太 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (70403003)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 分子モーター / １分子計測 / 揺らぎ / 1分子計測

Outline of Annual Research Achievements

モータータンパク質の構造変化と揺らぎを明らかにするため、金ナノ粒子をプローブとした超高速・高空間分解能の検出法を開発した。全反射型レーザー暗視野顕微鏡を用いた金コロイドの検出では重心解析により、10マイクロ秒の時間分解能かつ数nmの位置決定精度で運動を検出することに成功した。さらに、金ナノロッドをプローブとした超高速配向イメージング法を開発した。金ナノロッドは長軸・短軸方向に沿って散乱が偏光するため、散乱の強度や散乱パターンのイメージングにより、その配向を決めることができる。重心位置がほとんど変化しない微小な回転運動に対しても有効で、並進方向の揺らぎによる影響を受けずに、高い角度分解能でモータータンパク質の構造変化を検出可能であった。
さらに、落斜型レーザー暗視野顕微鏡のデフォーカスイメージングにより、金ナノロッドの配向を10マイクロ秒の時間分解能かつ数度の角度分解能で検出することに成功し、ATP駆動回転分子モーターF1の回転子サブユニットγおよびトルク発生サブユニットβの構造変化と揺らぎを計測した。我々の方法は、蛍光や高速AFMを用いた従来の手法よりも時間分解能をずっと上げることが可能であった。
また全反射型レーザー暗視野顕微鏡を用い、微小管上を歩くリニアモーターであるキネシンの片足に金コロイドを結合させてその動きを高時間・空間分解能で測定することに成功した。キネシンは微小管に片足が結合した状態でATPの結合を待つことが知られているが、結合していない浮いた足の揺らぎの大きさや方向性は明らかでなかった。観察の結果、金コロイドを標識した片足は微小管に沿って16ナノメートルずつ進むだけでなく、微小管に垂直な右方向にも大きく揺らぐことが明らかになった。この結果は、片足結合状態においてキネシンの浮いた足は常に右方向に揺らぐという構造異方性が存在することを示していた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Biased Brownian stepping rotation of FoF1-ATP synthase driven by proton motive force (2013)
  • Author(s): Watanabe R, Tabata KV, Iino R, Ueno H, Iwamoto M, Oiki S, Noji H
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms2631
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Operation mechanism of F_oF_1-adenosine triphosphate synthase revealed by its structure and dynamics (2013)
  • Author(s): Iino R, Noji H
  • Journal Title: IUBMB Life Volume: 65 Issue: 3 Pages: 238-246
  • DOI: 10.1002/iub.1120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Label-free single-particle imaging of the influenza virus by objective-type total internal reflection dark-field microscopy (2012)
  • Author(s): Enoki S
  • Journal Title: PLoS One Volume: 7(11) Issue: 11 Pages: e49208-e49208
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0049208
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations (2012)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 134 Issue: 20 Pages: 8447-8454
  • DOI: 10.1021/ja211027m
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rotary catalysis of the stator ring of F(1)-ATPase (2012)
  • Author(s): Iino R, Noji H
  • Journal Title: Science Volume: (First published online) Issue: 10 Pages: 1732-1739
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2012.03.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanical modulation of catalytic power on F_1-ATPase (2011)
  • Author(s): Watanabe R, et al.
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 8 Issue: 1 Pages: 86-92
  • DOI: 10.1038/nchembio.715
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Operation mechanism of rotary molecular motor F1 probed by single-molecule techniques (2013)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2013
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
  • Year and Date: 2013-03-18
  • Invited
• [Presentation] Rotary catalysis of the stator ring of F1-ATPase, a nanomotor made by protein (2012)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: 1st International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN)
  • Place of Presentation: Brisbane, Australia
  • Year and Date: 2012-10-22
  • Invited
• [Presentation] Rotary catalysis of the stator ring of F1-ATPase (2012)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: The 17th European Bioenergetics Conference (EBEC 2012)
  • Place of Presentation: Freiburg, Germany
  • Year and Date: 2012-09-15
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule studies of ATP synthase, a complex of two rotary nan somotors (2012)
  • Author(s): Ryota Iino
  • Organizer: The Symposium on Bioinspired Materials and Functionalities
  • Place of Presentation: Groningen, Netherlands(招待講演)
  • Year and Date: 2012-06-22
• [Presentation] Direct observation of rotary catalysis of rotorless F1-ATPase by high-speed atomic force microscopy (2012)
  • Author(s): Ryota Iino, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando, Hiroyuki Noji
  • Organizer: Biophysical Society 56th Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2012-02-29
• [Presentation] ATP駆動モーターの揺らぎとメカニズム (2012)
  • Author(s): 飯野亮太、榎佐和子、野地博行
  • Organizer: 新学術領域「揺らぎと生体機能」「水和とATP」 合同公開シンポジウム 「ゆらぎと水#8722;生命のエネルギーと機能の分子機構を探る」
  • Place of Presentation: 大阪ガーデンパレス（大阪府）
  • Invited
• [Presentation] Direct observation of rotary catalysis of rotorless F1-ATPase by high-speed atomic force microscopy (2011)
  • Author(s): Ryota Iino, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 17th International Biophysics Congress
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2011-11-02
• [Presentation] Detection of rotation of F1-ATPase using high-speed orientational detection of gold nanorod (2011)
  • Author(s): Sawako Enoki, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 兵庫
• [Book] DOJIN BIOSCIENCEシリーズ「生体分子の動きを探る －揺らぎと生体機能－」Part IV 機能とダイナミクス 第15章1節「モータータンパク質」 (2013)
  • Author(s): 飯野亮太
  • Total Pages: 10
  • Publisher: 化学同人