歩くナノ○○計の創成

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 24107522
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 鈴木 団 早稲田大学, 重点領域研究機構, 准教授 (40350475)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 生物物理 / 単一細胞 / 温度 / バイオイメージング / ナノバイオロジー / 熱 / 運動・輸送 / 蛍光顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

今日の細胞生物学的に重要な問いに答えるためには、生きた細胞の中で生じるダイナミックな過渡応答を連続して計測することが求められる。そのために、標的タンパク質の位置情報に加え、局所的な環境情報を同時に得られるプローブを新規に開発し、また計測系を構築することを目的としている。
２０１２年度はこのプローブを構成するモジュールうち、まず標的タンパク質を選択的にラベルする手法を開発した。ターゲット分子をヒスチジンタグ（His-tag）に選び、これとの親和性が高いリガンドをスクリーニングした。His-tagをターゲットにするリガンドのライブラリーは、反応性が高いクリックケミストリーによる手法を用いて合成した。複数のリガンドが含まれる溶液中に、標的のHis-tagを混合し、生じた複数の複合体それぞれについて気相系での安定性を算出した。結果として、非対称な構造を有するある一つのリガンドが、気相系でもっとも安定にHis-tagと結合している化合物として見出された。更に、気相での複合体が安定であればあるほど、溶液中での解離速度が低下する傾向のあることが分かった。最終的に、このスクリーニングで得られた最も解離速度の遅いリガンドを備えた蛍光プローブを作成し、アクチンフィラメント上を歩行運動するHis-tag付きのミオシンVの一分子観察が可能であることを示した。本研究成果について、国際化学系雑誌に発表した（Arai, et al., 2012）。
さらに申請者らが新規に開発してきたナノ温度計（Oyama, et al., 2012）の性能を改善することに成功した。細胞内で高精度に温度変化を捉えるには、種々の外部環境に対して安定であることに加え、深さ方向のノイズをキャンセルするためのレシオ測定が必要とされる。そこで、温度応答しない蛍光色素を粒子に追加導入し、単一粒子によるレシオ測定を可能にした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究で開発する新規プローブを構成するモジュールのうち、標的タンパク質を選択的に標識する部位が一つ完成し、論文発表を行った。さらに、細胞内環境を計測する部位については、ひとつが学会発表においてポスター賞を受賞し、さらにその改良版の開発に成功した。以上のことから、現在までの達成度を「（１）当初の計画以上に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

現在までに、研究計画を大きく変更する方針はない。

Research Products

• [Journal Article] Walking nanothermometers: Spatiotemporal temperature measurement of transported acidic organelles in single living cells. (2012)
  • Author(s): Oyama, K., Takabayashi, M., Takei, Y., Arai, S., Takeoka, T, Ishiwata, S.* and Suzuki, M.* (*Corresponding authors)
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 12 Pages: 1591-1593
  • DOI: 10.1039/C2LC00014H
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mass Spectrometric Screening of Ligands with Lower Off-rate from a Clicked-based Pooled Library. (2012)
  • Author(s): Arai, S., Hirosawa, S., Oguchi, Y., Suzuki, M., Murata, A., Ishiwata, S. and Takeoka, S.
  • Journal Title: ACS Combinatorial Science Volume: 14 Pages: 451-455
  • DOI: 10.1021/co300028n
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Microscopic analysis of calcium dynamics to various temperature stimuli in a WI-38 cell. (2013)
  • Author(s): Itoh, H., Suzuki, M., Oyama, K. and Ishiwata, S.
  • Organizer: 卓越した大学院拠点形成支援事業 スタートアップ・シンポジウ ム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-19
• [Presentation] Development of walking nano-*-meters. (2013)
  • Author(s): Suzuki, M.
  • Organizer: ナノメディシン分子科学 公開国際シンポジウム「細胞内の分子 世界を探る：化学・物理・生物学の統合による医療革命を目指し て」
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2013-03-10
• [Presentation] メゾスコピック領域でのエネルギー変化測定・撹乱による生物機能の解明と操作に関する研究 (2013)
  • Author(s): 鈴木団
  • Organizer: 第5回生物学・化学・情報科学融合のための戦略的先進理工学 研究基盤の形成事業シンポジウム「ライフイノベーション創出に 向けたフュージョンバイオテクノロジー展開」－融合の展開と実 践－
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-03-06
• [Presentation] Microscopic heat pulses induce Ca2+-independent contraction of cardiomyocytes. (2013)
  • Author(s): Oyama, K., Mizuno, A., Shintani, S.A., Itoh, H., Serizawa, T., Fukuda, N., Suzuki, M., and Ishiwata S.
  • Organizer: 米国生物物理学会第57回年会
  • Place of Presentation: 米国
  • Year and Date: 2013-02-02 – 2013-02-06
• [Presentation] Fluorescent nanoparticle as a temperature sensor in single living cells. (2013)
  • Author(s): Suzuki, M.
  • Organizer: The Taiwan-Japan Nanomedicine Meeting
  • Place of Presentation: 台湾
  • Year and Date: 2013-01-13 – 2013-01-14
• [Presentation] Ca2+-decoupled contraction of single rat adult cardiomyocytes induced by microscopic heat pulse. (2012)
  • Author(s): Oyama, K., Mizuno, A., Shintani, S.A., Itoh, H., Serizawa, T., Fukuda, N., Ishiwata S. and Suzuki, M.
  • Organizer: The American Society for Cell Biology, 2012 Annual Meeting
  • Place of Presentation: 米国
  • Year and Date: 2012-12-15 – 2012-12-19
• [Presentation] Development of ratiometric fluorescent nanothermometer and its application to living cells. (2012)
  • Author(s): 武井義明、新井敏、村田篤、大山廣太郎、高林昌 生、石渡信一、武岡真司、鈴木団
  • Organizer: 第35回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-12-10 – 2012-12-14
• [Presentation] Fluorescent Nanoparticles for the Temperature Measurement inside Living Cells with Spatiotemporal Resolution. (2012)
  • Author(s): Suzuki, M.
  • Organizer: The 2012 Small Sciences Symposium -Frontiers in Nanomedicine-
  • Place of Presentation: シンガポール
  • Year and Date: 2012-12-10 – 2012-12-12
• [Presentation] Ca2+-independent on-off regulation of a cardiomyocyte by microscopic heat pulses. (2012)
  • Author(s): Oyama, K., Mizuno, A., Shintani, S., Itoh, H., Serizawa, T., Fukuda, N., Suzuki, M., and Ishiwata S.
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-20 – 2012-09-24
• [Presentation] Temperature dependency of Ca2+ dynamics in a migrant cell. (2012)
  • Author(s): Itoh, H., Suzuki, M., Oyama, K. and Ishiwata, S.
  • Organizer: Joint Meeting of the 45th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists and the 64th Annual Meeting of the Japan Society for Cell Biology
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2012-05-28 – 2012-05-31