Cooperativity of motor proteins using nano fabrications.

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H00330
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Yokokawa Ryuji 京都大学, 工学研究科, 教授 (10411216)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノマイクロ加工 / BioMEMS / ナノマイクロバイオシステム / 分子モーター / 生体分子の物性

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aimed to understand the emerging phenomena of cooperative motion and force generation functions by applying single molecule patterning technology to motor proteins. We developed an assay platform to anchor kinesin molecules and other molecules at intervals of 200~800 nm using gold nanopillar structures fabricated by the electron beam lithography and explained the bidirectional motion of microtubules at low molecular density using a chemo-mechanical model. We also showed that the bending stiffness can be designed by changing the polymerization rate of microtubules, and the correlation between the bending stiffness and the collective motion was clarified. This can also be demonstrated by in silico analysis, and a machine learning-based multilayer perceptron model can predict the bending stiffness from the microtubule morphology.

Free Research Field

ナノ・マイクロ加工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、微小管に結合するモータタンパク質の数を規定したり、微小管の物性を規定したりすることによる微小管運動への影響を調べ、なぜマルチモータと微小管の相互作用が細胞内で必須となっているのかについて、工学的な視点からアプローチした。1分子計測が主流の従来法に対し、新たにナノ加工技術を導入することで生体内の分子配置を模倣する点に独自性があり、従来の生物物理学のみでは成し得ない計測手法を提案した点に学術的意義を有する。また、微小管の曲げ剛性は各種疾患との関連が知られており、その運動から曲げ剛性を推定する機械学習技術は、生体モニタリングの新たな方法として社会的意義を有する。