ミリ秒の高時間分解能を持つ新しい蛍光顕微解析系の開発

• Project/Area Number: 16687006
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Gakushuin University
• Principal Investigator: 西坂 崇之 学習院大学, 理学部, 助教授 (40359112)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥29,900,000 (Direct Cost: ¥23,000,000、Indirect Cost: ¥6,900,000); Fiscal Year 2006: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2005: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2004: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: 1分子ナノ計測 / バイオイメージング / 蛋白質の構造 / 分子マニピュレーション / 1分子生理学 / 光学顕微鏡 / 分子モーター / F_1ATPase / F_1-ATPase / 蛋白質分解酵素

Research Abstract

本研究課題の最終目標は、蛋白質1分子の構造が変化する時の情報を、ミリ秒という高い時間分解能で画像化することであった。本研究期間中に、装置の基本概念に関する3件の特許出願を行い、そのうち2件が基礎研究に応用が可能であることを実施例を通して示すことができた。主な研究成果を以下にあげる。
(1)高速カメラを用い、粒子の位置をサブミリ秒の分解能で3次元的に追跡する実験手法を開発した。さきがけ研究(JST)で独自に開発した技術(特願2005-197049「3次元位置観測方法及び装置」)に、粒子を低ノイズかつ高速で撮影する手法を加えたもので、現在1.4ナノメートルの位置決定能を実現している。第51回米生物物理学会等で報告。
(2)まだミリ秒の分解能には満たないものの、蛋白質のサブユニットの動きを3次元的に観測することに成功した。試料は回転分子モーターF_1-ATPaseであり、この蛋白の中のγサブユニットはATPを分解するエネルギーにより一方向に回転する。この正確な回転平面を、個々の分子を対象にして決定し、軸の倒れを正確に見積もることができた。第44回生物物理学会年会等で報告。
今後は蛋白質の3次元の構造変化について、装置系と観察する試料と改良を加え、ミリ秒の分解能を達成するべく様々な手法を総合的に開発する。また独自の顕微鏡技術の応用として、異なるテーマを進めている他の研究者と積極的に交流を進めており、これら共同研究からの新しい結果も期待される。特に大阪市立大の宮田真人教授、東大新領域の田口英樹助教授、情報通信研究機構との大岩和弘グループリーダーとの共同研究は活発である。光ピンセットや3次元顕微鏡等を用い、細胞運動、細胞内の蛋白の可視化、リニア分子モーターの挙動など、様々な分野に新しい研究手法を発展させることに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Single Molecule Energetics of F_1-ATPase Motor. (2007)
  • Author(s): 宗行英郎(他5名)
  • Journal Title: Biophysical Journal 92 Pages: 1806-1812
• [Journal Article] Tracking of 3-D motion with nanometer accuracy. (2007)
  • Author(s): 水谷佳奈(他3名)
  • Journal Title: Biophysical Journal Jan(abstr.)
• [Journal Article] 化学反応の1分子イメージング技術 (2007)
  • Author(s): 西坂宗之(他1名)
  • Journal Title: 蛋白質 核酸 酵素 52 Pages: 317-322
• [Journal Article] Single-molecule observation of rotation of F_1 ATPase through micro beads. (2007)
  • Author(s): 西坂宗之(他2名)
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology (in press)
• [Journal Article] 化学反応の1分子イメージング技術 (2007)
  • Author(s): 西坂宗之(他1名)
  • Journal Title: 生物物理 (in press)(総説)
• [Journal Article] Muscle proteins as high speed nano transporters on micro patterns. (2006)
  • Author(s): 吉田由美(他4名)
  • Journal Title: MEMS 2006号(abstr.) Pages: 134-137
• [Journal Article] Gliding ghosts of Mycoplasma mobile. (2006)
  • Author(s): 上野山敦子(他3名)
  • Journal Title: Biophysical Journal Jan(abstr.)
• [Journal Article] Imaging of structural change of F_1-ATPase at the single molecular level. (2006)
  • Author(s): 西坂崇之(他3名)
  • Journal Title: Biophysical Journal Jan(abstr.)
• [Journal Article] Imaging of ATP hydrolysis in a single FtsH molecule. (2004)
  • Author(s): J.Ohkawa, T.Okuno, T.Ogura, K.Oiwa, T.Nishizaka
  • Journal Title: Biophysical Journal 88
• [Patent(Industrial Property Rights)] 3次元位置観測方法及び装置 (2006)
  • Inventor(s): 西坂宗之(80%), 水谷佳奈(20%)
  • Industrial Property Rights Holder: 科学技術振興機構(80%), 学習院(20%)
  • Filing Date: 2006-06-29
• [Patent(Industrial Property Rights)] 暗視野顕微鏡およびその調整方法 (2006)
  • Inventor(s): 西坂宗之(75%), 安田凉平(25%)
  • Industrial Property Rights Holder: 科学技術振興機構(62.5%), 学習院(37.5%)
  • Industrial Property Number: 2006-144050
  • Filing Date: 2006-05-24
• [Patent(Industrial Property Rights)] 高時間分解能画像化方法及び装置並びに全反射型蛍光顕微鏡 (2005)
  • Inventor(s): 西坂 崇之
  • Industrial Property Rights Holder: 科学技術振興機構
  • Industrial Property Number: 2005-101764
  • Filing Date: 2005-03-31
• [Patent(Industrial Property Rights)] 3次元位置観測方法及び装置 (2005)
  • Inventor(s): 西 坂崇之, 水谷 佳奈
  • Industrial Property Rights Holder: 科学技術振興機構, 学習院大学
  • Industrial Property Number: 2005-197049
  • Filing Date: 2005-07-06
• [Patent(Industrial Property Rights)] 全反射型蛍光顕微鏡 (2001)
  • Inventor(s): 西坂崇之
  • Industrial Property Rights Holder: 情報通信研究機購
  • Industrial Property Number: 2001-310511
  • Filing Date: 2001-10-05
  • Acquisition Date: 2004-07-23