高時間分解能一分子計測によるキネシンの化学力学共役機構の解明

• 研究課題/領域番号: 17H03661
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 青山学院大学
• 研究代表者: 富重 道雄 青山学院大学, 理工学部, 教授 (50361530)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2019年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2017年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
• キーワード: 分子モーター / 生物物理 / 一分子計測（SMD） / ナノマシン / 細胞内輸送 / １分子計測（SMD）

研究成果の概要

分子モーターキネシンはATP加水分解のエネルギーを利用して２つの頭部を交互に動かしながら運動するが、頭部間の協調性の仕組みやエネルギー変換の仕組みはまだ明らかになっていない。我々は、高時間かつ高空間分解能の一分子計測法を用いることによって、キネシンの後ろ頭部が前頭部よりも先に解離する仕組みや浮いた頭部が選択的に前方の結合部位に結合する仕組みを明らかにした。また負荷を受けながら運動中のキネシンの観察を行うことにより、外力により運動速度が低下する仕組みの一端を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

タンパク質は多様な細胞内活動に関わっているが、その多くは複数のサブユニットを協調させることで仕事の効率を上げている。本研究の成果は、キネシンのサブユニット間の協調性の仕組みを構造や反応速度論の観点から明らかにするものであり、アロステリックな分子内協調の普遍的な仕組みへの示唆を与えるとともに、効率的な人工分子機械の設計指針を与えるものである。

研究成果

• [国際共同研究] University of California, San Francisco(米国)
• [雑誌論文] Nonequilibrium Energetics of Molecular Motor Kinesin (2018)
  • 著者名/発表者名: Ariga Takayuki、Tomishige Michio、Mizuno Daisuke
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 121 号: 21 ページ: 218101-218101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.218101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous observation of kinesin-driven microtubule motility and binding of adenosine triphosphate using linear zero-mode waveguides (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto K, Morita Y, Iino R, Tomishige M, Shintaku H, Kotera H, Yokokawa R
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 12 号: 12 ページ: 11975-11985
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b03803
  • 査読あり
• [学会発表] アクティブ環境下でのキネシンの運動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有賀隆行、立石圭人、富重道雄、水野大介
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 二本足で歩く分子モーターキネシンの化学力学共役 (2019)
  • 著者名/発表者名: 富重道雄
  • 学会等名: 青山学院大学ー東京農業大学ジョイントミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] キネシン１二量体の前頭部における微小管からの解離抑制の直接観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第9回分子モーター討論会
• [学会発表] 細胞分裂に関わるキネシン５の頭部間協調におけるネック領域の役割の高速一分子観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田大雅、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第9回分子モーター討論会
• [学会発表] キネシン１の連続的移動距離を決める要因の高速一分子観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 榎本司、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第9回分子モーター討論会
• [学会発表] DNAオリガミを用いた異なるキネシン二分子による協調運動の観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鷹野柊、益田稜介、松崎興平、岩城光宏、富重道雄
  • 学会等名: 第9回分子モーター討論会
• [学会発表] Determinant of the processivity of kinesin-1 as studied using high-speed single-molecule observations (2019)
  • 著者名/発表者名: 榎本司、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会
• [学会発表] High-speed single molecule studies for the role of the neck region on the head-head coordination of mitotic kinesin-5 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田大雅、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会
• [学会発表] Cooperative transport by wild-type and mutant kinesin motors as studied using programmable DNA origami (2019)
  • 著者名/発表者名: 鷹野柊、益田稜介、松崎興平、岩城光宏、富重道雄
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会
• [学会発表] High-speed single-molecule observations of kinesin-1 moving under a load from DNA origami nanospring (2019)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平、岩城光宏、富重道雄
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会
• [学会発表] 二本足で歩く生体分子モーターキネシンの一分子運動計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 富重道雄
  • 学会等名: 青山学院大学ライフサイエンスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 多分子のキネシン１による物質輸送の高速一分子観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 榎本司、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 第８回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] 一方向運動と拡散運動を切り替えるキネシン５の高速一分子観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田大雅、松崎興平、酒井洋子、富重道雄
  • 学会等名: 第８回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Nonequilibrium energetics of single molecule motor, kinesin (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Ariga, Michio Tomishige, Daisuke Mizuno
  • 学会等名: 10th biennial workshop on Single Molecule Biophysics
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed observations of the unbinding/binding motions of the leading head of kinesin-1 from/to microtubule provide kinetic evidence for the front-head gating mechanism (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohei Matsuzaki, Yamato Niitani, Michio Tomishige
  • 学会等名: 63rd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of the suppression of the leading head of kinesin-1 dimer from detachment from microtubule (2018)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
• [学会発表] High-speed single molecule observations of the stepping motion of mitotic kinesin-5 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山田大雅、松崎興平、酒井洋子、富重道雄
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
• [学会発表] High-speed nanometer-precision tracking of the cargo transport by multiple kinesin-1 motor proteins (2018)
  • 著者名/発表者名: 榎本司、松崎興平、富重道雄
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
• [学会発表] 一方向運動と拡散運動を切り替えるキネシン５の高速一分子観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山田大雅
  • 学会等名: 第８回分子モーター討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Energetics of molecular motor kinesin (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Ariga, Michio Tomishige, Daisuke Mizuno
  • 学会等名: Advances in Physics of Emergent orders in Fluctuations
  • 国際学会
• [学会発表] Biased binding mechanism alone can explain the preferential forward stepping of kinesin-1 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平
  • 学会等名: 62nd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Nonequilibrium energetics of single molecular motor, kinesin-1 (2018)
  • 著者名/発表者名: 有賀隆行
  • 学会等名: 62nd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed single molecule observations of the stepping motion of molecular motor kinesin (2017)
  • 著者名/発表者名: 富重道雄
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Frontiers in Bioimaging
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Preferential forward stepping mechanism of kinesin-1 studied using tandemly-joined two-headed monomer (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Frontiers in Bioimaging
  • 国際学会
• [学会発表] キネシンの選択的ステップ運動の高速一分子観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平
  • 学会等名: 第７回分子モーター討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Direct observation of the binding and unbinding motions of the tethered kinesin head to microtubule (2017)
  • 著者名/発表者名: 松崎興平
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] キネシンのエネルギー論 (2017)
  • 著者名/発表者名: 有賀隆行
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Single molecule observation of fluorescent ATP in microtubule gliding motility enabled by linear zero-mode waveguide (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤本和也
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Nonequilibrium energy dissipation from molecular motor kinesin (2017)
  • 著者名/発表者名: 有賀隆行
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
  • 国際学会