2015 Fiscal Year Annual Research Report
複合機能プローブシステムによるバイオ・ナノ材料の分子スケール機能可視化
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24221008
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山田 啓文 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40283626)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 圭 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (40335211)
平田 芳樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (10357858)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ計測 / 原子間力顕微鏡 / 水和構造計測 / ３次元フォースマップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、われわれがこれまで発展させてきた液中高分解能FM-AFMイメージング技術および多環境動作可能なデュアルプローブAFM技術に基づいて、生体膜上のさまざまな生体高分子の機能・構造を分子スケールで識別して可視化する、新たな分子機能イメージング法を確立し、これら生体分子機能発現の微視的機構を解明することを目的としている。
(1) デュアルプローブAFMによる生体機能可視化技術の確立：リガンド等の注入によってターゲット分子の機能を発現させ、その前後での変化を高分解能で直接的に捉えることは、生体分子の機能発現における微視的機構を探る上で非常に有効な手段である。しかしながら、通常の装置では、上記注入過程は探針近傍の環境に大幅な擾乱をもたらし、注入後の高分解能観察を著しく阻害する。本年度の研究では、ターゲット周辺のみに極微量の分子を注入するピペット型ナノプローブを新たに開発し、通常のAFM探針の近傍にこのピペット型ナノプローブを位置決めすることで、局所領域での極微量リガンド注入を可能にした。実際、このプローブによってstreptavidin(SA)２次元結晶にbiotinを注入し、分子レベルでのSA結晶の変化を捉えることに成功した。
(2) 生体分子周囲の水和構造可視化：一般に生体分子は複雑な表面構造をもつが、こうした分子系においても、３次元フォースマッピング法を用いることで生体分子周囲の３次元水和構造を可視化することができ、生体分子における水和の役割の理解に直接的につながる。しかしながら、安定な３次元水和構造測定は容易ではなかった。本年度は、計測時間の短縮、機械系および測定系におけるさまざまなドリフト要因を改善することで、安定な３次元フォースマッピング法を実現し、実際に、DNA周囲の水和構造を分子レベルで可視化することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究はおおむね順調に進展している。本研究課題は、4つの研究サブテーマから構成されるが、本年度は、その中の下記２つのサブテーマの研究が密接に連携して進められ、生体分子構造・機能計測を確立するための具体的な研究が行われた。サブ研究テーマ「(1) デュアルプローブAFMによる生体機能可視化技術の確立」においては、リガンド等の注入によってターゲット分子の機能を発現させ、その前後での変化を高分解能で直接的に捉えることを目指しており、ターゲット周辺のみに極微量の分子を注入することが可能なピペット型ナノプローブを開発し、さらにはこのピペット型ナノプローブをAFM探針の近傍へ位置決めする微動機構を付加することで、局所領域での極微量のリガンドの注入が実現した。実際に、streptavidin２次元結晶系へのbiotin注入によって、biotin分子の非特異的結合によるstreptavidin結晶の変化が明瞭に捉えられた。また、サブ研究テーマ「(2) 生体分子周囲の水和構造可視化」では、複雑な構造をもつ生体分子の周囲においても安定に動作する３次元フォースマッピング法を確立することにより、生体分子上の水和構造を分子レベルで可視化することに成功し、生機能に直接関与すると考えられる生体分子－水分子相互作用の分子レベルでの解析を飛躍的に前進させることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
分子認識機能を担う生体分子の活性部位においては、特異的結合を促進させる種々の要因が存在するが、その部位における電荷密度およびその変化も重要な役割を担っており、生機能発現に密接に関わっている。従って、生体分子上の局所電荷計測は生機能を理解する上で必要不可欠となる。一方、真空中や大気中の表面電荷計測に用いられる静電気力顕微鏡やケルビンプローブフォース顕微鏡を電解質中での測定に適用すると、使用する変調電場は電気二重層の形成によって遮蔽され、高分解能の表面電荷計測を行うことは著しく困難となることがこれまでの研究によって分かっている。そこで今後の研究においては、FM-AFMを用いた２次元／３次元フォースマッピング法によって、探針-試料間にはたらく電気二重層力の空間分布を計測し、これを詳細に解析することで、試料表面の電荷密度マップを得る方法を検討する。すなわち、先ず探針-基板表面間にはたらく電気二重層力を計測し、電解質濃度を変えて電気二重層力の大きさが変わることを確認する。次に、球－平面間にはたらく電気二重層力の計算結果と一致することを確認する。その上で、分子集合体や生体分子の固液界面において２次元／３次元フォースマップを取得し、試料表面形状や電荷密度分布をモデル化して計算した探針-試料間電気二重層力分布と比較することで、試料上の任意の位置における局所電荷密度を求める。
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Research Products
(24 results)
