Dynamics of Biomolecules studied by High-Speed AFM with Optical Tweezers

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15409
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28040:Nanobioscience-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: Kenichi Umeda 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 特任助教 (60746915)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高速AFM / 光ピンセット / DNA / 生体機能動態 / 外力印加 / 生体フォールディング機構

Outline of Final Research Achievements

I successfully developed high-speed atomic force microscopy combined with optical tweezers via the development of control and analysis software that is capable of synchronous control of these two techniques. Furthermore, I also succeeded in developing a simple method for synthesizing a long-chain hairpin concatemer assay. By means of these newly developed systems, I successfully visualized submolecular-scale unfolding and refolding dynamics of the hairpin structures induced by an external force. The obtained results also indicated that a transitional change of bistable secondary structures over time as well as an unpeeling of ssDNA that is nucleated from a discontinuity at the hairpin construct. These achievements were definitely a giant step in the biological folding research.

Free Research Field

生物物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体フォールディング機構は生体機能発現と密接に関連しており重要である。これまで光ピンセットを用いて研究がなされてきたが、分子の伸長度やフォースを計測はできても分子全体の構造変化を視覚化することができないという問題点があった。本研究において、光ピンセットに高速AFMを組み合わせた手法を確立することができ、世界で初めて外力に誘起されたフォールディング現象のダイナミクスのサブ分子レベルの可視化に成功した。この手法は今後様々な生体分子のフォールディング機構解明への応用が期待でき、今後、医薬製薬やバイオインフォマティクス分野における発展にも繋がる。