蛋白質の構造変化を自在に操作する技術の創出‐トランスポーターへの応用‐

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01625
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鎌形 清人 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (90432492)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2016: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 一分子計測 / 蛋白質 / 操作 / １分子計測(SMD)

Outline of Annual Research Achievements

蛋白質の折り畳みや機能を調べる方法の一つとして、蛋白質の構造が動く様子を単分子レベルで可視化する方法が提案されてきた。しかし、従来の単分子蛍光装置には、観測時間や色素間距離などに制限があるため、生物学上の重要な蛋白質への応用は限定されている。本研究では、ターゲットとなる蛋白質に従来法で用いる蛍光色素の代わりに金ナノ粒子を使用し、金ナノ粒子－蛋白質複合体を作成し、計測を行った。具体的には、金ナノ粒子のプラズモン散乱”を利用した、空間分解能1-20ナノメートルの蛋白質ダイナミクス計測法の開発を行った。まず、白色光源による全反射照明の光学系と高感度カラーカメラを組み合わせ、全反射暗視野顕微鏡を作成した。次に、開発した全反射暗視野顕微鏡の性能を調べるため、金ナノ粒子を修飾したポリプロリンやDNA（生体分子のモデル）を作成した。さらに、金ナノ粒子－ポリプロリン複合体や金ナノ粒子‐DNA複合体からのプラズモン散乱を計測したところ、予測通りに、ポリプロリンやDNAの長さに依存して緑色と赤色の散乱強度の比が変化した。以上より、開発した全反射暗視野顕微鏡は蛋白質などの生体分子の構造や構造変化を計測できることが分かった。将来的に、本研究で開発した技術を応用して、金ナノ粒子間に生じる力（引力、斥力、回転力）を操作し、蛋白質の構造揺らぎを制御する方法の開発が期待され、構造揺らぎと機能に関わる構造変化の関連性の解明につながると考えられる。

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] Finding the target: Characterization of the facilitated diffusion of transcriptional factor p53 along DNA using ensemble kinetic and single-molecule fluorescence measurements (2017)
  • Author(s): Kamagata K., Murata A., Itoh Y., Takahashi S.
  • Journal Title: J. Photochem. Photobiol., C: Photochem. Reviews Volume: 30 Pages: 36-50
  • DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2017.01.004
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] DNA garden: A simple method for producing arrays of stretchable DNA for single-molecule fluorescence imaging of DNA binding proteins (2017)
  • Author(s): Igarashi C., Murata A., Itoh Y., Subekti D. R. G., Takahashi S., Kamagata K.
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 90 Issue: 1 Pages: 34-43
  • DOI: 10.1246/bcsj.20160298
  • NAID: 130005289868
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Activation of p53 facilitates the target search in DNA by enhancing the target recognition probability (2016)
  • Author(s): Itoh Y., Murata A., Sakamoto S., Nanatani K., Wada T., Takahashi S., Kamagata K.
  • Journal Title: J. Mol. Biol. Volume: 428 Issue: 14 Pages: 2916-2930
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2016.06.001
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single-molecule Characterization of Sliding Dynamics of Tumor Suppressor p53 along DNA (2016)
  • Author(s): 村田崇人、伊藤優志、鎌形清人
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 56 Issue: 2 Pages: 109-111
  • DOI: 10.2142/biophys.56.109
  • NAID: 130005140949
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] One-dimensional sliding of p53 along DNA is accelerated in the presence of Ca(2+) or Mg(2+) at millimolar concentrations (2015)
  • Author(s): Murata A, Ito Y, Kashima R, Kanbayashi S, Nanatani K, Igarashi C, Okumura M, Inaba K, Tokino T, Takahashi S, Kamagata K
  • Journal Title: JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY Volume: 427 Issue: 16 Pages: 2663-2678
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2015.06.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complexity of the folding transition of the B domain of protein A revealed by the high-speed tracking of single-molecule fluorescence time series (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Oikawa, Kiyoto Kamagata, Munehito Arai, Satoshi Takahashi
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 119 Issue: 20 Pages: 6081-6091
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b00414
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Where the complex things are: single molecule andensemble spectroscopic investigations of protein folding dynamics (2015)
  • Author(s): Satoshi Tkahahshi, Kiyoto Kamagata, Hiroyuki Oikawa
  • Journal Title: Current Opinion in Structural Biology Volume: 36 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2015.11.006
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 実験と計算によるｐ53の標的DNA配列探索機能 (2017)
  • Author(s): 北尾彰朗、鎌形清人、高橋聡
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶応大学（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast intersegmental transfer of a tumor suppressor p53 investigated by ensemble and single-molecule measurements (2016)
  • Author(s): Yuji Itoh, Agato Murata, Satoshi Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第16回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-07
• [Presentation] がん抑制蛋白質の単分子機能解析 (2016)
  • Author(s): 鎌形清人、村田崇人、伊藤優志、高橋聡
  • Organizer: ダイナミックアライアンスG３分会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-12-01
• [Presentation] Single-molecule characterization of DNA-binding proteins with stretchable DNA array (2016)
  • Author(s): Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第５４回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
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast intersegmental transfer of a tumor suppressor p53 investigated by ensemble and single-molecule measurements (2016)
  • Author(s): Yuji Itoh, Agato Murata, Satoshi Takahashi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第５４回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] Elongation of Intrinsically Disordered Linker in p53 and the Effects on DNA Binding and Sliding Ability (2016)
  • Author(s): Dwiky Rendra Graha Subekti, Agato Murata,Yuji Itoh, Satoshi Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第５４回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] Target search dynamics of tumor suppressor p53 revealed by ensemble kinetic and single-molecule fluorescence measurements (2016)
  • Author(s): Kiyoto Kamagata, Agato Murata and Yuji Itoh
  • Organizer: The 10th 3R Symposium
  • Place of Presentation: ホテル一畑（島根県松江市）
  • Year and Date: 2016-11-13
• [Presentation] Single-molecule investigation of DNA-binding proteins (2016)
  • Author(s): Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 平成28年度化学系学協会東北大会
  • Place of Presentation: いわき明星大学（福島県いわき市）
  • Year and Date: 2016-09-10
  • Invited
• [Presentation] Investigation of Intersegmental Transfer in the Target Search of a Tumor Suppressor Protein p53 (2016)
  • Author(s): Yuji Itoh, Agato Murata, Satoshi Takahashi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: Tohoku University’s Chemistry Summer School 2016
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-08-18
• [Presentation] Activation of a transcription factor p53 by the regulation of the target recognition probability (2016)
  • Author(s): Yuji Itoh, Agato Murata, Seiji Sakamoto, Kei Nanatani, Takehiko Wada, Satoshi Takahashi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 新学術領域「柔らかな分子系」第5回全体合宿会議
  • Place of Presentation: ホテルベルナティオ（新潟県十日町市）
  • Year and Date: 2016-05-30
• [Presentation] 一分子蛍光顕微鏡によるp53の標的DNA認識の直接観察 (2016)
  • Author(s): 伊藤優志、村田崇人、坂本清志、七谷圭、和田健彦、高橋聡、鎌形清人
  • Organizer: 第4回天然変性タンパク質計算化学研究会
  • Place of Presentation: 御殿場高原時之栖（静岡県御殿場市）
  • Year and Date: 2016-01-07
• [Presentation] DNA整列固定法の開発とDNA結合蛋白質の単分子蛍光観察 (2016)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: 生物物理学会東北支部会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
• [Presentation] Elongation of Intrinsically Disordered Linker in p53 and the Effects on DNA Binding and Sliding Ability (2016)
  • Author(s): Dwiky Rendra Graha Subekti, Agato Murata,Yuji Itoh, Satoshi Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 生物物理学会東北支部会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
• [Presentation] 単分子蛍光顕微鏡を用いたDNA結合蛋白質p53の機能解析 (2016)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: Ambitious物質科学セミナー
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Invited
• [Presentation] DNA結合蛋白質の機能解析のためのDNA整列固定法「DNAガーデン」の開発 (2015)
  • Author(s): 五十嵐千裕、村田崇人、伊藤優志、高橋聡、鎌形清人
  • Organizer: アライアンス若手交流会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2015-11-16
  • Invited
• [Presentation] DNA結合蛋白質の機能解析のためのDNA整列固定法「DNAガーデン」の開発 (2015)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: 2015アライアンスG3分科会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2015-11-12
  • Invited
• [Presentation] 一分子蛍光観測法によるがん抑制蛋白質p53のスライディング運動の解明 (2015)
  • Author(s): 村田崇人、伊藤優志、五十嵐千裕、Dwiky Subekti Rendra Graha、高橋聡、鎌形清人
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] DNA結合蛋白質の単分子蛍光観察のためのDNA整列技術の開発 (2015)
  • Author(s): 五十嵐千裕、村田崇人、高橋聡、鎌形清人
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Observation of the Search Dynamics of p53 Mutants for the Target DNA Sequence by Single-molecule Fluorescence Microscopy (2015)
  • Author(s): Itoh, Agato Murata, Seiji Sakamoto, Kei Nanatani, Takehiko Wada, Satoshi Takahashi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Target search process of a tumor suppressor p53 revealed by single-molecule fluorescence microscopy (2015)
  • Author(s): Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Observation of the Search Dynamics of p53 Mutants for the Target DNA Sequence by Single-molecule Fluorescence Microscopy (2015)
  • Author(s): Yuji Itoh, Agato Murata, Seiji Sakamoto, Kei Nanatani, Takehiko Wada, Satoshi Takahasi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: Tohoku University’s Chemistry Summer School 2015
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-08-26
• [Presentation] Investigation of the Roles of the Intrinsically Disordered Region of a Tumor Suppressor p53 in the DNA Binding (2015)
  • Author(s): Dwiky Rendra Graha Subekti, Agato Murata, Chihiro Igarashi, Yuji Ito, Satoshi Takahashi and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2015
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-08-26
• [Presentation] Target DNA search of a tumor suppressor p53 revealed by single-molecule fluorescence microscopy (2015)
  • Author(s): Agato Murata, Yuji Itoh, Chihiro Igarasi, Satoshi Takahashi and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: KAKENHI International Symposium on “Studying the Function of Soft Molecular Systems”
  • Place of Presentation: 科学未来館（東京都港区）
  • Year and Date: 2015-07-09
• [Presentation] 一分子蛍光観測法によるがん抑制蛋白質p53のスライディング運動の解明 (2015)
  • Author(s): 村田崇人・伊藤優志・五十嵐千裕・高橋聡・鎌形清人
  • Organizer: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール（徳島県徳島市）
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] 一分子蛍光顕微鏡によるｐ５３変異体の標的配列探索ダイナミクスの観察 (2015)
  • Author(s): 伊藤優志・村田崇人・坂本清志・七谷圭・和田健彦・高橋聡・鎌形清人
  • Organizer: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール（徳島県徳島市）
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] Investigation of the Role of Intrinsically Disordered Region in p53 Using Single Molecule Fluorescence Microscopy (2015)
  • Author(s): Dwiky Rendra Graha Subekti, Agato Murata, Chihiro Igarashi, Yuji Ito, Satoshi Takahashi, and Kiyoto Kamagata
  • Organizer: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール（徳島県徳島市）
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] がん抑制蛋白質p53の標的DNA配列探索運動の単分子蛍光観測 (2015)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: 第3回生体分子サイエンスセミナー
  • Place of Presentation: 東京工業大学（神奈川県横浜市）
  • Invited
• [Presentation] 単分子蛍光顕微鏡によるがん抑制蛋白質p53の標的DNA探索過程の観察 (2015)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: 金沢大学理工研究域＆バイオAFM先端研究センター・セミナー
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Invited
• [Presentation] がん抑制蛋白質p53の標的DNA配列探索運動の単分子蛍光観測 (2015)
  • Author(s): 鎌形清人
  • Organizer: 応用微生物学セミナー
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Invited
• [Funded Workshop] The challenge of experimentalists and theorists for the protein and nucleic acid system (2015)
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13