高速原子間力顕微鏡を用いた一分子操作と構造ダイナミクス制御

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 26104514
• 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: Kanazawa University
• Principal Investigator: 内橋 貴之 金沢大学, 数物科学系, 教授 (30326300)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2015: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2014: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 一分子イメージング・ナノ計測 / 走査プローブ顕微鏡 / 蛋白質 / 一分子イメージング / 一分子操作 / タンパク質 / 高速原子間力顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに開発した高速AFMインタラクティブモードの応用研究を進めた。具体的には、インタラクティブモードによりクラミドモナス鞭毛の軸糸微小管を部分破壊し、それによる微小管の崩壊を観察することで、微小管内部の結合タンパク質が微小管の構造を安定化していることを明らかにした。また、超分子ポリマーの部分切断と再重合過程や酸化還元酵素であるペルオキシレドキシンの高分子複合体の構造解析に関する研究にも応用した。これらにより、インタラクティブモード高速AFMがタンパク質の分子動態の操作だけでなく、分子複合体の部分破壊を利用した堅さ計測や構造解析に利用できることがわかった。
分子動態の観察によって分子の柔らかさと機能の関係を明らかにすべく、分子シャペロンClpBのイメージングを行った。ATPの結合と加水分解に依存したClpB六量体リング構造の柔軟な形状変化が観察された。様々な変異体解析により、六量体リング構造の切断と回復などのダイナミックな構造変化がClpBシャペロン機能に重要であることを明らかにした。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Functional extension of high-speed AFM for wider biological applications. (2016)
  • Author(s): Uchihashi T, Watanabe H, Fukuda S, Shibata M, Ando T.
  • Journal Title: Ultramicroscopy Volume: 160 Pages: 182-196
  • DOI: 10.1016/j.ultramic.2015.10.017
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Potential pre-pore trimer formation by the Bacillus thuringiensis mosquito-specific toxin: Molecular insights into a critical prerequisite of membrane-bound monomers (2015)
  • Author(s): Wilaiwan Sriwimol, Aratee Aroonkesorn, Somsri Sakdee, Chalermpol Kanchanawarin, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando and Chanan Angsuthanasombat
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 290 Issue: 34 Pages: 20793-20803
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.627554
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Method of mechanical holding of cantilever chip for tip-scan high-speed atomic force microscope. (2015)
  • Author(s): Fukuda S, Uchihashi T, Ando T.
  • Journal Title: Rev Sci Instrum. Volume: 86 Issue: 6 Pages: 063703-063703
  • DOI: 10.1063/1.4922381
  • NAID: 120005647653
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Long-tip high-speed atomic force microscopy for nanometer-scale imaging in live cells (2015)
  • Author(s): M. Shibata, T. Uchihashi, T. Ando and R. Yasuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 8724-8724
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Probing structural dynamics of an artificial protein cage using high-speedatomic force microscopy (2015)
  • Author(s): M. Imamura, T. Uchihashi, T. Ando, A. Leifert, U. Simon, A. D. Malay and J. G. Heddle
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 15 Issue: 2 Pages: 1331-1335
  • DOI: 10.1021/nl5045617
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-way traffic of glycoside hydrolase family 18 processive chitinases on crystalline chitin (2014)
  • Author(s): K. Igarashi, T. Uchihashi, T. Uchiyama, H. Sugimoto, M. Wada, K. Suzuki, S. Sakuda, T. Ando, T. Watanabe, and M. Samejima
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Pages: 1331-1335
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] キチナーゼによる結晶性キチンのプロセッシブ（連続的）な分解機構の解明 (2014)
  • Author(s): 杉本華幸, 五十嵐圭日子, 内橋貴之, 鈴木一史, 渡邉剛志
  • Journal Title: 日本応用糖質化学会誌 Volume: 4 Pages: 107-112
• [Journal Article] 高速原子間力顕微鏡による生体試料のダイナミクス観察 (2014)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Journal Title: 膜誌 Volume: 39 Pages: 322-328
  • NAID: 130005069445
• [Journal Article] 高速原子間力顕微鏡による生体分子のナノ動体撮影 (2014)
  • Author(s): 古寺哲幸, 内橋貴之, 安藤敏夫
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 69 Pages: 459-464
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡で探る生体分子の機能ダイナミクス (2016)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 表面科学技術研究会2016 生きている固体と界面 ～走査型プローブ顕微鏡で探る～
  • Place of Presentation: 神戸大学
  • Year and Date: 2016-01-21
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡で可視化する生体分子の構造ダイナミクス (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 2015年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2015-11-28
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡の開発とバイオ応用 (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 日本顕微鏡学会 様々な極微イメージング技術若手研究部会 第３回研究会
  • Place of Presentation: 赤穂
  • Year and Date: 2015-11-23
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡で可視化するタンパク質の機能動態 (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 第８回北陸合同バイオシンポジウム
  • Place of Presentation: 山中温泉、石川
  • Year and Date: 2015-10-30
  • Invited
• [Presentation] Direct Visualization of Single Molecule Dynamics at Work with High-Speed Atomic Force Microscopy (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: The 15th KIAS Conference on Protein Structure and Function
  • Place of Presentation: ソウル、韓国
  • Year and Date: 2015-09-17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural Flexibility and Chaperon Activity of ClpB Observed by High-Speed AFM (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: Symposium: Functions of biomolecules controlled by flexibility”、第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule manipulation and control of protein conformational dynamics using high-speed AFM (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: KAKENHI International Symposium on “Studying the Function of Soft Molecular Systems”
  • Place of Presentation: 未来科学館、台場
  • Year and Date: 2015-07-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-speed atomic force microscopy: A new tool for studying protein dynamics at work (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: MS Asian International Symposium “Supramolecular Dynamics at the Interface of Chemistry and Biology”
  • Place of Presentation: 岡崎統合バイオ
  • Year and Date: 2015-06-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡で可視化する分子動態と細胞運動 (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第71回学術講演会
  • Place of Presentation: 京都国際会議場
  • Year and Date: 2015-05-15
  • Invited
• [Presentation] Hight-Speed Atomic Force Microscopy for Observation of Single-Molecule Dynamics (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: 日本化学会第95回春季年会 第6回日英シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本大学船橋キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-27
  • Invited
• [Presentation] High-speed atomic force microscope for imaging of biomolecular dynamics at solid surface (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: 10th Annual International Electromaterials Science Symposium
  • Place of Presentation: Wollongong, Australia
  • Year and Date: 2015-02-03
  • Invited
• [Presentation] Visualization of single molecule dynamics at work with high-speed atomic force microscopy (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: The 7th Biennial Australian Colloid & Interface Symposium
  • Place of Presentation: Hobart, Tasmania, Australia
  • Year and Date: 2015-01-27
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡によるタンパク質のダイナミクスと物性計測 (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: NIBBバイオイメージングフォーラム「物理特性のイメージング」
  • Place of Presentation: 伊豆長岡温泉 天坊, 静岡県
  • Year and Date: 2015-01-27
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡の開発とバイオ応用 (2015)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 新世代研究所水和ナノ構造・界面ナノ科学合同研究会「固液界面の水和ナノ構造と生体高分子ダイナミクス」
  • Place of Presentation: 伊豆長岡温泉 天坊, 静岡県
  • Year and Date: 2015-01-25
  • Invited
• [Presentation] High-speed atomic force microscope for studying dynamic interactions in biomolecular system (2015)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
  • Place of Presentation: 合歓の郷,三重県
  • Year and Date: 2015-01-10
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule imaging of proteins at work with high-speed atomic force microscopy (2014)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • Place of Presentation: 長浜ロイヤルホテル, 滋賀県
  • Year and Date: 2014-10-26
  • Invited
• [Presentation] Cooperative Conformational Change in Ring-Shaped ATPase Observed by High-Speed AFM (2014)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会 Japan-China-Taiwan Joint Symposium on Cooperativity in Supramolecular Machine
  • Place of Presentation: 札幌国際会議場, 北海道
  • Year and Date: 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] High-speed atomic force microscopy for imaging of protein dynamics (2014)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: Agilent Nanomeasure 2014
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2014-09-16
  • Invited
• [Presentation] 高速AFMによる生体試料のダイナミクス観察 (2014)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Organizer: 日本膜学会第36回年会境界領域シンポジウム
  • Place of Presentation: 早稲田大学, 東京都
  • Year and Date: 2014-05-13
  • Invited
• [Presentation] Visualization of single molecule dynamics at work with high-speed atomic force microscopy (2014)
  • Author(s): Takayuki Uchihashi
  • Organizer: Single Protein Dynamics in Cellulo 2014: Spatio-Temporal, Structural and Quantitative Analyses
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学、沖縄県
  • Year and Date: 2014-04-23
  • Invited
• [Book] “光と生命の辞典” 第５章 「光による生命現象の計測」177節 高速原子間力顕微鏡 (2016)
  • Author(s): 内橋貴之
  • Total Pages: 486
  • Publisher: 朝倉書店
• [Book] “Development of high-speed AFM and its biological applications”, Chapter 8 in Atomic Force Microscopy in Nanobiology (2014)
  • Author(s): T. Uchihahsi, N. Kodera and T. Ando
  • Total Pages: 34
  • Publisher: Pan Stanford Publishing