Development of advanced high-speed AFM and analysis of proteins' action mechanism

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 26119003
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 安藤 敏夫 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 特任教授 (50184320)
• Project Period (FY): 2014-07-10 – 2019-03-31
• Keywords: 高速AFM / 走査型プローブ顕微鏡 / 蛋白質 / バイオイメージング / ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、高速AFMのバイオ応用研究を自ら推進するだけでなく、公募班員、計画班員、及び、領域外の研究者にも装置を開放して、彼らと協力してタンパク質分子が動作する姿を活写する動的構造生命科学を幅広く新規開拓するとともに、装置の高度化を更に進めて、従来の高速AFMでは観察不可能な分子レベルで起こる現象を観察可能にすることにある。2018年度の領域内での共同研究では、例えば、べん毛構成タンパク質のIII型輸送装置に含まれるタンパク質FlhAがリングを形成し、また、そのC端領域が一定の順序で輸送すべきタンパク質を選別していることを見出した。他の班員との共同研究でも、核膜孔複合体で起こるダイナミクスやインフルエンザフィルスの感染に重要なヘマグルチニンの構造変化を捉えることに成功し、また、ナノディスクに埋め込んだ膜タンパク質を上方・側方から観察することを可能することにも成功した。独自に進めた応用研究では、膜孔形成毒素SLOによる膜孔形成の初期に、部分的に解けたαヘリカルバンドルが膜に一部挿入し、その結果膜を上方に引き上げ、それが更にαヘリカルバンドルの膜挿入を加速することを見出した。また、膜孔形成の最終段階では、リング内腔下部に形成されたリポソームが相対的にSLOリングの下方に移動し、最終的に細胞膜に孔が形成されることを示唆する現象を見出した。高速AFMの高度化技術開発では、開発した光ピンセットとの複合装置の操作の難しさを軽減する改良を行い、力作用下にあるDNAの観察に成功した。金属探針で生ずる局所プラズモンを利用した超解像蛍光顕微鏡も開発し、従来よりも100倍速いイメージング速度と空間分解能39 nmを実現した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Michigan/Texas A&M University/Vanderbilt University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Michigan/Texas A&M University/Vanderbilt University
• [Int'l Joint Research] University of Paris Diderot(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: University of Paris Diderot
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: KU Leuven
• [Journal Article] High-speed near-field fluorescence microscopy combined with high-speed atomic force microscopy for biological studies (2019)
  • Author(s): T. Umakoshi, S. Fukuda, R. Iino, T. Uchihashi, T. Ando
  • Journal Title: BBA-General Subjects Volume: 印刷中 Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.03.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural insights into the substrate specificity switch mechanism of the type III protein export apparatus (2019)
  • Author(s): Y., Y. Ogawa, M. Kinoshita, N. Terahara, M. Shimada, N. Kodera, T. Ando, K. Namba, A. Kitao, K. Imada, T. Minamino
  • Journal Title: Structure Volume: 印刷中 Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.str.2019.03.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct visualization of avian influenza H5N1 Hemagglutinin precursor and its conformational change by high-speed atomic force microscopy (2019)
  • Author(s): K. S. Lim, M. S. Mohamed, H. Wang, Hartono, M. Hazawa, A. Kobayashi, D. C.-C. Voon, N. Kodera, T. Ando, R. W. Wong
  • Journal Title: BBA - General Subjects Volume: 印刷中 Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.02.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cationic polymethacrylate-copolymer acts as an agonist for β-amyloid and antagonist for amylin fibrillation (2019)
  • Author(s): B. R. Sahoo, T. Genjo, T. Watanabe-Nakayama, A. K. Stoddard, T. Ando, K. Yasuhara, C. A. Fierke, A. Ramamoorthy
  • Journal Title: Chem. Sci. Volume: 10 Pages: 3976-3986
  • DOI: 10.1039/C8SC05771K
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inner lumen proteins stabilize doublet microtubules in cilia and flagella (2019)
  • Author(s): M. Owa, T. Uchihashi, H. Yanagisawa, T. Yamano, H. Iguchi, H. Fukuzawa, K. Wakabayashi, T. Ando, and M. Kikkawa
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 10 Pages: 1143-
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09051-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metastable asymmetrical structure of shaftless V1 motor (2019)
  • Author(s): S. Maruyama, K. Suzuki, M. Imamura, H. Sasaki, H. Matsunami, K. Mizutani, Y. Saito, F. L. Imai, Y. Ishizuka-Katsura, T. Kimura-Someya, M. Shirouzu, T. Uchihashi, T. Ando, I. Yamato, T. Murata
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 5 Pages: eaau8149
  • DOI: 10.1126/sciadv .aau8149
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of the UHRF1 Tandem Tudor Domain bound to a methylated non-histone protein, LIG1, reveals rules for binding and regulation (2019)
  • Author(s): S. Kori, L. Ferry, S. Matano, T. Jimenji, N. Kodera, T. Tsusaka, R. Matsumura, T. Oda, M. Sato, N. Dohmae N, T. Ando, Y. Shinkai, P. A. Defossez, K. Arita
  • Journal Title: Structure Volume: 27 Pages: 485-496
  • DOI: 10.1016/j.str.2018.11.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The clustering-induction of RANKL molecules could stimulate early osteroblast differentiation (2019)
  • Author(s): E. Sone, D. Noshiro, Y. Ikebuchi, M. Nakagawa, M. Khan, Y. Tamura, M. Ikeda, M. Oki, R. Murali, T. Fujimori, T. Yoda, M. Honma, H. Suzuki, T. Ando, and K. Aoki
  • Journal Title: Biophys. Biochem. Res. Commun. Volume: 509 Pages: 435-440
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.12.093
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-unit imaging of membrane protein-embedded nanodiscs from two oriented sides by high-speed atomic force microscopy (2019)
  • Author(s): T. Haruyama, Y. Sugano, N. Kodera, T. Uchihashi, T. Ando, Y. Tanaka, H. Konno, T. Tsukazaki
  • Journal Title: Structure Volume: 27 Pages: 152-160
  • DOI: 10.1016/j.str.2018.09.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Free energy landscape and dynamics of supercoiled DNA by high-speed tomic force microscopy (2018)
  • Author(s): T. Brouns, H. De. Keersmaecker, S. Konrad, N. Kodera, T. Ando, J. Lipfert, S. De Feyter and W. Vanderlinden
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 12 Pages: 11907-11916
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b06994
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The 2018 correlative microscopy techniques roadmap (2018)
  • Author(s): T. Ando et al. (36 authors in total)
  • Journal Title: J. Phys. D: Appl. Phys. Volume: 51 Pages: 443001-
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aad055
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Revealing circadian mechanisms of integration and resilience by visualizing clock proteins working in real time (2018)
  • Author(s): T. Mori, S. Sugiyama, M. Byme, C. H. Johnson, T. Uchihashi, T. Ando
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 9 Pages: 3245-
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05438-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic structural states of ClpB involved in its disaggregation function (2018)
  • Author(s): T. Uchihashi, Y. Watanabe, Y. Nakazaki, T. Yamasaki, H. Watanabe, T. Maruno, K. Ishii, S. Uchiyama, C. Song, K. Murata, R. Iino, and T. Ando
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 9 Pages: 2147
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04587-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Real time monitoring of lipid exchange via fusion of peptide based lipid-nanodiscs (2018)
  • Author(s): T. Ravula, D. Ishikuro, N. Kodera, T. Ando, G. Anantharamaiah, A. Ramamoorthy
  • Journal Title: Chem. Mater. Volume: 30 Pages: 3204-3207
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00946
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] High-speed AFM: directly visualizing protein molecules during their functional activity (2019)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: 15th JSPS German and Japanese Colloquium: Nano-LifeScience ((Harnack Hous of the Max Planck Institute, Berlin)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Protein machinery enabling life (2019)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: Max von Laue Colloquium of the Physical Society of Berlin (Physikalisch-Technische Bundesanstalt Hörsaal im Hermann-von-Helmholtz-Bau, Berlin)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-speed atomic force microscopy for observing biological molecules in dynamic action (2019)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: Seminar at the Fritz Harber Institute of the Max Planck Society (Berlin)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic processes in pore-forming Streptolysin O on lipid membrane (2019)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: XXI Linz Winter Workshop (Bio-AFM Workshop (Johaness Kepler University Linz, Linz Austria)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-speed AFM and SICM: Watching biological samples in dynamic action (2018)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: Bio-AFM Workshop on "AFM and Related Techniques for Biological Research" (Empa, St. Gallen, Switzerland)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Keynote speech "High-speed AFM: Visializing protein molecules during their functional activity" (2018)
  • Author(s): T. Ando
  • Organizer: 19th International Microscopy Congress (Sydney, Australia)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高速AFMによる分子・細胞の高解像ダイナミクスイメージングとその展望 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会（新潟朱鷺メッセ）
  • Invited
• [Presentation] 特別講演「動的な分子レベルの生命現象を直視する高速AFM」 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: 平成30年度金沢大学がん進展制御研究所共同利用・共同研究拠点共同研究成果報告会（金沢大学）
  • Invited
• [Presentation] 基調講演「生体分子機械の機能動作を活写する高速AFM」 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: 日本電子顕微鏡学会第61回シンポジウム（富山国際会議場）
  • Invited
• [Presentation] 高速AFMの機能拡張に向けた技術開発 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: JASRIワークショップ「高分解能イメージング技術」（Spring-8）
  • Invited
• [Presentation] 特別講演「タンパク質・細胞の動態を活写する高速AFM」 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: JST/さきがけ「微粒子」第２回領域会議（TKP金沢カンファレンスセンター）
  • Invited
• [Presentation] 特別講演「動作中の蛋白質分子の高速AFMによる直接観察」 (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: 平成30年度関東研究医養成コンソーシアム夏のリトリート（金沢商工会議所）
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質分子の機能動態を直接撮影する高速AFM (2018)
  • Author(s): 安藤敏夫
  • Organizer: 第１８回蛋白質科学会年会 シンポジウム「蛋白質立体構造解析のフロンティア」（新潟朱鷺メッセ）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 金沢大学ナノ生命科学研究所 研究成果の紹介
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/achievements/
• [Remarks] Ｋｅｙ Ｆｉｎｄｉｎｇ， Ｎａｎｏ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/achievements/
• [Remarks] プレスリリース 金沢大学ナノ生命科学研究所
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/category/announcements/press/
• [Remarks] Ｐｒｅｓｓ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｎａｎｏ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/category/announcements/press/
• [Funded Workshop] Bio-AFM Summer School (Kanazawa Univ.) (2018)