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2014 Fiscal Year Annual Research Report

少数分子生体システムの再構成-複合体構成分子の数の制御と理論検証-

Planned Research

Project AreaSpying minority in biological phenomena -Toward bridging dynamics between individual and ensemble processes-
Project/Area Number 23115008
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

今田 勝巳  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40346143)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 内橋 貴之  金沢大学, 数物科学系, 准教授 (30326300)
Project Period (FY) 2011-04-01 – 2016-03-31
Keywords分子機械 / 生物物理 / ナノバイオ / 生体分子 / 蛋白質
Outline of Annual Research Achievements

べん毛輸送システムの働きで行われる細菌べん毛形成は、輸送シャペロンや離合集散する可溶性輸送装置蛋白質など、多機能性を有する少数分子のふるまいが大きく影響する生命現象である。本研究では、べん毛輸送システムを再構築し、システムの構造を明らかにすると共に構成要素の数・種類・エネルギー源を操作して輸送を測定し、輸送装置の作動機構、べん毛形成の分子機構、べん毛本数決定のしくみを明らかにすることを目的としている。以下に今年度の成果を記す。
・反転膜小胞人工系を用いた輸送計測から以下の多くのことを明らかにした。1)FliI単独の添加では輸送量は変化せず、FliH-FliI複合体の添加で輸送が桁違いに促進されることを発見。2)膜電位、pH差、ATP濃度を変化させた輸送実験から、FliIによるATP加水分解エネルギーのみで輸送が駆動されることを発見。3)輸送によるフックの再構築に成功し、人工系で連続的な輸送が起きることを証明。4)フック蛋白質FlgEの輸送がフックキャップ蛋白質FlgDにより促進されることを発見。5)ロッド形成がFlgE輸送に大きく影響することから、クラスII蛋白質にも輸送順序決定機構があることを示唆。6)FliKの添加により輸送基質特異性の切替えに成功。7)蛍光ラベルを導入した基質の輸送に成功
・構造に基づく輸送シャペロンFlgNの変異実験から、FlgNのヘリックス1と2の間のループ欠損により、自身の集合体形成能、輸送装置蛋白質や輸送基質蛋白質との相互作用が大きく変化することを見出した。
・輸送ATPase複合体の構造変化観察のため、40℃で観察可能な高速AFMチャンバーを開発。
・細胞観察のため蛍光像と高速AFM像を同時観察するシステムの改良を行った。また、探針に金コロイドを付着させて探針増強蛍光を起こし、AFMのイメージング領域のみ蛍光像増強を行うシステムを開発した

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

反転膜小胞を用いた輸送計測系の改良がすすみ、膜電位、pH、ATP濃度など外部条件の変更、共存する蛋白質の種類や割合の輸送に対する影響が観察可能になったため。

Strategy for Future Research Activity

・反転膜小胞人工系を用いて輸送の定量計測を行う。蛍光ラベルを導入した輸送基質や反応活性を持つ輸送基質を用い、蛍光計測による輸送量の定量や輸送の時系列データの取得を試みる。また、なるべく均一な大きさの反転膜小胞を作成する条件を確立し、A01グループが開発したデバイスを応用して反転膜小胞を一つずつ分離し、各小胞内に輸送された蛋白質を定量することで、輸送装置1つの輸送能を評価する。
・ 膜融合を用いてA01野地グループが開発した平面膜チップデバイスへ組込み、輸送測定を行う。
・ 反転膜小胞人工系を用いて輸送順序の決定機構を調べる。特に、各輸送基質の存在が他の基質の輸送にどのように影響するか、詳細に調べる。また、クラスIIIへスイッチ可能な反転膜小胞人工系を用い、クラスIIIへのスイッチメカニズム、輸送シャペロンの役割、少数基質分子の選択輸送を調べる。
・温度制御型溶液チャンバーを使い、輸送ATPase複合体のヌクレオチド依存的構造変化の高速AFM観察を進める。蛍光顕微鏡/高速AFM複合機により、細胞膜のピット形成など表面形態ダイナミクスと細胞膜内側のタンパク質局在の同時計測を行う。また、この装置によりべん毛成長過程の観察を進める。

  • Research Products

    (41 results)

All 2015 2014

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (31 results) (of which Invited: 13 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] The bacterial flagellar motor and its structural diversity2015

    • Author(s)
      Minamino T, Imada K
    • Journal Title

      Trends Microbiol

      Volume: 未定 Pages: 未定

    • DOI

      10.1016/j.tim.2014.12.011

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Long-tip high-speed atomic force microscopy for nanometer-scale imaging in live cells2015

    • Author(s)
      M. Shibata, T. Uchihashi, T. Ando and R. Yasuda
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: 8724

    • DOI

      10.1038/srep0872

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Probing structural dynamics of an artificial protein cage using high-speedatomic force microscopy2015

    • 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 Pages: 1331-1335

    • DOI

      10.1021/nl5045617

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystallization and preliminary X-ray analysis of the periplasmic domain of FliP, an integral membrane component of the bacterial flagellar type III protein-export apparatus2014

    • Author(s)
      Fukumura T, Furukawa Y, Kawaguchi T, Saijo-Hamano Y, Namba K, Imada K, Minamino T
    • Journal Title

      Acta Crystallogr F Struct Biol Commun.

      Volume: 70(Pt 9) Pages: 1215-1218

    • DOI

      10.1107/S2053230X14014678

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Conformational change in the periplamic region of the flagellar stator coupled with the assembly around the rotor2014

    • Author(s)
      Zhu S, Takao M, Li N, Sakuma M, Nishino Y, Homma M, Kojima S, Imada K
    • Journal Title

      Proc Natl Acad Sci U S A

      Volume: 111 Pages: 13523-13528

    • DOI

      10.1073/pnas.1324201111

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Two-way traffic of glycoside hydrolase family 18 processive chitinases on crystalline chitin2014

    • 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: 3975

    • DOI

      0.1038/ncomms4975

    • 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

      Volume: 39 Pages: 322-328

  • [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] 細菌べん毛のIII型分泌装置の再構築2015

    • Author(s)
      寺島浩行, 川本晃大, 巽千夏, 南野徹, 難波啓一, 今田勝巳
    • Organizer
      第88回日本細菌学会総会
    • Place of Presentation
      長良川国際会議場(岐阜)
    • Year and Date
      2015-03-26
    • Invited
  • [Presentation] べん毛III型蛋白質輸送装置の再構築2015

    • Author(s)
      今田勝巳
    • Organizer
      第2回生命分子科学研究会
    • Place of Presentation
      朝里クラッセホテル(小樽)
    • Year and Date
      2015-03-14
  • [Presentation] FliM-FliN複合体の構成に基づくC-ringモデル2015

    • Author(s)
      松島和司, 寺島浩行, 木下実紀, 南野徹, 今田勝巳
    • Organizer
      第20回べん毛研究交流会
    • Place of Presentation
      合歓の郷(三重県)
    • Year and Date
      2015-03-03
  • [Presentation] FlgNシャペロンの機能制御スイッチの同定2015

    • Author(s)
      木下実紀, 中西雄紀, 今田勝巳, 南野徹
    • Organizer
      第20回べん毛研究交流会
    • Place of Presentation
      合歓の郷(三重県)
    • Year and Date
      2015-03-02
  • [Presentation] FlhAの細胞質領域の構造変化2015

    • Author(s)
      小川雄也, 木下実紀, 南野徹, 今田勝巳
    • Organizer
      第20回べん毛研究交流会
    • Place of Presentation
      合歓の郷(三重県)
    • Year and Date
      2015-03-02
  • [Presentation] 反転膜ベシクルによる蛋白質輸送の計測2015

    • Author(s)
      寺島浩行, 川本晃大, 南野徹, 難波啓一, 今田勝巳
    • Organizer
      第20回べん毛研究交流会
    • Place of Presentation
      合歓の郷(三重県)
    • Year and Date
      2015-03-02
  • [Presentation] 反転膜ベシクルを用いたべん毛軸構造の構築2015

    • Author(s)
      巽千夏, 寺島浩行, 南野徹, 今田勝巳
    • Organizer
      第20回べん毛研究交流会
    • Place of Presentation
      合歓の郷(三重県)
    • Year and Date
      2015-03-02
  • [Presentation] High-speed atomic force microscope for imaging of biomolecular dynamics at solid surface2015

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • Organizer
      10th Annual International Electromaterials Science Symposium
    • Place of Presentation
      Wollongong, Australia
    • Year and Date
      2015-02-11
    • Invited
  • [Presentation] Visualization of single molecule dynamics at work with high-speed atomic force microscopy2015

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • Organizer
      The 7th Biennial Australian Colloid & Interface Symposium
    • Place of Presentation
      Hobart, Tasmania, Australia
    • Year and Date
      2015-02-03
    • Invited
  • [Presentation] べん毛輸送装置の再構成2015

    • Author(s)
      今田勝巳, 南野徹, 内橋貴之
    • Organizer
      新学術領域研究「少数性生物学」第8回領域会議
    • Place of Presentation
      ルスツリゾート(留寿都 北海道)
    • Year and Date
      2015-01-31
  • [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
      基礎生物学研究所(愛知県)
    • 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] Structural characterization of FliP, a component of the type III flagellar protein export apparatus.2015

    • Author(s)
      Fukumura, T., Makino, F., Kato, T., Imada, K., Namba, K. & Minamino, T.
    • Organizer
      BLAST XIII
    • Place of Presentation
      Hilton Tucson East, USA
    • Year and Date
      2015-01-18 – 2015-01-23
  • [Presentation] High-speed atomic force microscope for studying dynamic interactions in biomolecular system2015

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • 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] 輸送装置の再構成 -べん毛をつくる-2014

    • Author(s)
      今田勝巳
    • Organizer
      第6回膜輸送体研究会
    • Place of Presentation
      ニュー富良野ホテル(富良野)
    • Year and Date
      2014-12-27
  • [Presentation] 固定子の構造変化により細菌べん毛モーターが活性化する仕組み2014

    • Author(s)
      小嶋誠司, 朱世偉, 高尾真登, 李娜, 佐久間麻由子, 西野優紀, 本間道夫, 今田勝巳
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第40回討論会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(松山)
    • Year and Date
      2014-12-12
    • Invited
  • [Presentation] 細菌III型分泌装置によるタンパク質輸送のin vitro再構成2014

    • Author(s)
      寺島浩行, 川本晃大, 南野徹, 難波啓一, 今田勝巳
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第40回討論会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(松山)
    • Year and Date
      2014-12-11
  • [Presentation] べん毛III型輸送シャペロンFlgNの構造とFlhAとの相互作用2014

    • Author(s)
      小川雄也, 中西雄紀, 内田裕美子, 木下実紀, 南野徹, 今田勝巳
    • Organizer
      第87回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      京都国際会議場(京都)
    • Year and Date
      2014-10-17
  • [Presentation] Single-molecule imaging of proteins at work with high-speed atomic force microscopy2014

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • 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
      2014-10-05
    • Invited
  • [Presentation] Cooperative Conformational Change in Ring-Shaped ATPase Observed by High-Speed AFM2014

    • Author(s)
      内橋貴之
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌国際会議場(札幌)
    • Year and Date
      2014-09-26
    • Invited
  • [Presentation] Structure of FlgN, a flagellar type III export chaperone, and its interaction with FlhA, a flagellar type III export gate protein.2014

    • Author(s)
      Ogawa Y, Nakanishi Y, Uchida Y, Kinoshita M, Minamino T, Imada K.
    • Organizer
      日本生物物理学会第52回年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(札幌)
    • Year and Date
      2014-09-25
  • [Presentation] Stoichiometry of the FLiM-FliN complex, a flagellar C-ring component, and its higher order complex wiith flagellar export apparatus proteins2014

    • Author(s)
      Matsushima K, Terashima H, Kinoshita M, Minamino T, Imada K
    • Organizer
      日本生物物理学会第52回年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(札幌)
    • Year and Date
      2014-09-25
  • [Presentation] Construction of an in vitro transport assay system for the bacterial type III protein secretion.2014

    • Author(s)
      Terashima H, Kawamoto A, Minamino T, Namba K, Imada K.
    • Organizer
      日本生物物理学会第52回年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(札幌)
    • Year and Date
      2014-09-25
  • [Presentation] High-speed atomic force microscopy for imaging of protein dynamics2014

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • Organizer
      Agilent Nanomeasure 2014
    • Place of Presentation
      Beijing(China)
    • Year and Date
      2014-09-16
    • Invited
  • [Presentation] III型輸送ATPase複合体の構造と機能2014

    • Author(s)
      今田勝巳
    • Organizer
      第4回分子モーター討論会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪)
    • Year and Date
      2014-06-28
    • Invited
  • [Presentation] 多機能性を持つ細菌べん毛蛋白質輸送シャペロンFlgNの構造2014

    • Author(s)
      中西雄紀, 木下実紀, 南野徹, 今田勝巳
    • Organizer
      第14回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      ワークピア横浜/横浜産貿ホールマリネリア(横浜)
    • Year and Date
      2014-06-26
  • [Presentation] べん毛構築における少数性2014

    • Author(s)
      今田勝巳, 南野徹, 内橋貴之
    • Organizer
      新学術領域研究「少数性生物学」第7回領域会議
    • Place of Presentation
      びわこクラブ(滋賀県 大津市)
    • Year and Date
      2014-06-23
  • [Presentation] バクテリアべん毛蛋白質輸送スイッチの分子基盤2014

    • Author(s)
      南野徹, 難波啓一, 加藤貴之, 今田勝巳.
    • Organizer
      新学術領域研究「構造細胞生物学」第5回全体会議
    • Place of Presentation
      ルスツリゾート(留寿都 北海道)
    • Year and Date
      2014-06-14
  • [Presentation] バクテリアべん毛蛋白質輸送ゲート構成因子FliPペリプラズムドメインのX線結晶構造解析2014

    • Author(s)
      福村拓真, 今田勝巳, 難波啓一, 南野徹
    • Organizer
      第11回21世紀大腸菌研究会
    • Place of Presentation
      ホテル大観(岩手県)
    • Year and Date
      2014-06-05 – 2014-06-06
  • [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)
    • Year and Date
      2014-05-13
    • Invited
  • [Presentation] Visualization of single molecule dynamics at work with high-speed atomic force microscopy2014

    • Author(s)
      Uchihashi T
    • 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] “Development of high-speed AFM and its biological applications”, Chapter 8 in Atomic Force Microscopy in Nanobiology2014

    • Author(s)
      T. Uchihahsi, N. Kodera and T. Ando
    • Total Pages
      34
    • Publisher
      Pan Stanford Publishing

URL: 

Published: 2016-06-01  

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