新規ナノ膜デバイスを用いたプロトン受け渡し経路の研究

• Project/Area Number: 14F04383
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 野地 博行 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00343111)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): MCMILLAN DUNCAN 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 外国人特別研究員 ; MCMILLAN Duncan 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2016: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: ATP合成酵素 / H+輸送 / 一分子生物物理学 / 電子伝達系 / プロトン輸送

Outline of Annual Research Achievements

H27年度の実績概要として以下の3点があげられる。
1点目は、好アルカリ菌(以下、TA2.A1)由来のATP合成酵素のF1部(以下、TA2. F1)の一分子回転計測である。F1部はATP合成反応における触媒部位を持つため、その基本特性の詳細な解析(速度論的パラメーターや回転トルク等)は重要な意味を持つ。まず、一分子回転計測で使用する変異体の最適化を行った。次に、顕微鏡下で200 nmのビーズを用いた回転計測からTA2. F1のATP加水分解反応における詳細な基本特性の解析を行った。最大回転速度は約6.5Hz、Kmは2.7 uM、ATP結合速度は9.9x10^6/Msであった。また、TA2. F1は他生物由来と比較して大きい回転トルク(53 pN nm)を発生する事から、他生物由来より強固な化学力学共役機構を持つことが示唆された。これらの結果は原著論文として出版された。
2点目は、ATP合成酵素にH+駆動力を提供するcytochrme bo3複合体の生化学機能評価である。cytochrme bo3を再構成した人工膜小胞を用いて、cytochrme bo3の持つユビキノンの酸化活性に共役したH+輸送活性を評価できる電気計測系を開発した。これによりcytochrome bo3の持つH+輸送の詳細な解析を行った。現在、一分子cytochrme bo3のH+輸送計測を試みており、より詳細な輸送機構の解明を行う。
3点目は、病原菌(以下、Fuso)由来のF1の一分子回転計測である。発現系・回転計測系を構築し一分子回転計測を行ったところ、他生物種由来よりも極めて速い~1000Hzの速度で回転することがわかった。さらに、FusoF1は極度に阻害状態に陥ることがわかった。今後更なる解析を行なっていく。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Catalytic robustness and torque generation of the F1-ATPase (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Noji, Hiroshi Ueno and Duncan G. G. McMillan
  • Journal Title: Biophysical reviews Volume: 9 Issue: 2 Pages: 103-103
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0262-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biophysical Characterization of a Thermoalkaliphilic Molecular Motor with a High Stepping Torque Gives Insight into Evolutionary ATP Synthase Adaptation (2016)
  • Author(s): Duncan G. G. McMillan, Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Gregory M. Cook, and Hiroyuki Noji
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 291 Issue: 46 Pages: 23965-23977
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.743633
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single Enzyme Experiments Reveal a Long-Lifetime Proton Leak State in a Heme-Copper Oxidase (2015)
  • Author(s): Li, M., Jorgensen, S. K., McMillan, D. G. G., Krzeminski, L., Daskalakis, N. N., Partanen, R. H., Tutkus, M., Tuma, R., Stamou, D., Hatzakis, N. S. and Jeuken, L. J. C.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 137 Issue: 51 Pages: 16055-16063
  • DOI: 10.1021/jacs.5b08798
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The effect of 3-amino benzoic acid linker and the reversal of donor-acceptor pairs on the electrochemical performance and stability of covalently bonded poly(pyrrole) nanotubes (2015)
  • Author(s): Radtke, M., McMillan, D. G. G., Schroter, B., Hoppener, S., Dietzek, B., Schubert, U. S., Ignaszak, A.
  • Journal Title: Polymer Volume: 77 Pages: 289-296
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Population Changes in a Community of Alkaliphilic Iron Reducing Bacteria Due to Changes in the Electron Acceptor, and Implications for Bioremediation of Alkaline Cr(VI) Contaminated Sites. (2015)
  • Author(s): Fuller, S. J., Burke, I. T., McMillan, D. G. G., Ding, W., Stewart, D. I.
  • Journal Title: Water, Air, & Soil Pollution Volume: 226 Issue: 6 Pages: 180-180
  • DOI: 10.1007/s11270-015-2437-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrochemical stability of the polymer-derived nitrogen-doped carbon: an elusive goal? (2015)
  • Author(s): Cong, K., Radtke, M., Stumpf, S., Schroter, B., McMillan, D. G. G., Rettenmayr, M., Ignaszak, A.
  • Journal Title: Materials for Renewable and Sustainable Energy Volume: 4 Issue: 2 Pages: 5-5
  • DOI: 10.1007/s40243-015-0046-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrochemical approaches to study membrane enzymes in membrane environments (2016)
  • Author(s): Duncan G. G. McMillan
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-12-19
• [Presentation] Probing the biophysical properties of a Thermoalkaliphilic F1 ATPase gives insight into adaptation and regulation (2016)
  • Author(s): Duncan G. G. McMillan, Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Gregory M. Cook, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Rotary dynamics of the Thermoalkaliphilic Molecular Motor Caldalkalibacillus thermarum strain TA2.A1 F1-ATPase (2015)
  • Author(s): McMillan, D. G. G.
  • Organizer: 第41回日本生体エネルギー研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京、文京区)
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Proton transfer between cytochrome oxidases and the ATP synthase: examining the role of the membrane environment (2015)
  • Author(s): McMillan, D. G. G.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川、金沢)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Using a bioelectrochemical toolbox to explore bioenergetic adaptation from organism to biomimetic membranes (2015)
  • Author(s): McMillan, D. G. G.
  • Organizer: Invited seminar
  • Place of Presentation: the School of Biological and Chemical Sciences, University of Limerick (Limerick, Ireland)
  • Year and Date: 2015-07-20
  • Invited
• [Presentation] Assembly and characterization of Shewanella respiratory chains in biomimetic membranes (2015)
  • Author(s): McMillan, D. G. G.
  • Organizer: Invited seminar
  • Place of Presentation: the Department of Applied Chemistry, The University of Tokyo (Bunkyo-ku, Tokyo, Japan)
  • Year and Date: 2015-06-03
  • Invited
• [Presentation] Exploring bioenergetic adaptation from organism to biomimetic membranes (2015)
  • Author(s): McMillan, D. G. G.
  • Organizer: Invited seminar
  • Place of Presentation: the School of Biological and Chemical Sciences, Queen Mary University of London (London, UK)
  • Year and Date: 2015-04-17
  • Invited