生体１分子オングストローム計測法の開発

• 研究課題/領域番号: 18H02418
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 分子科学研究所
• 研究代表者: 飯野 亮太 分子科学研究所, 生命・錯体分子科学研究領域, 教授 (70403003)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2019年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2018年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 分子モーター / １分子計測 / 光学顕微鏡 / １分子イメージング

研究成果の概要

プラズモニック金属ナノ粒子の散乱イメージングを用いた光学顕微鏡１分子計測で、原子レベル（オングストロームレベル）の位置決定精度とマイクロ秒の時間分解能を達成する手法を開発した。また、開発した生体１分子オングストローム計測法をキネシン、V1-ATPaseといったリニア分子モーターや回転分子モーターに適用することに成功し、その化学力学共役機構や運動素過程の詳細を解明した。さらに、銀ナノ粒子と金ナノ粒子をプローブに用いたデュアルカラー高速高精度１分子計測法や、生体分子モーター１分子の運動の軌跡から化学状態に依存した自由エネルギープロファイルを推定する手法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生体１分子オングストローム計測法により、高度な機能を発現する生体分子機械の作動原理を原子レベルの位置決定精度で解明することが可能になり、生体分子モーターのエネルギー変換機構の多様性や普遍性が明らかとなりつつある。また本手法は、生体分子機械よりもずっと小さな人工分子機械の原子レベルの動きの可視化にも有用と考えられ、生物学のみならず化学分野における応用展開も期待される。さらに、デュアルカラー高速高精度１分子計測法は３色以上のマルチカラーに発展させることが可能であり、従来の蛍光イメージング代わる汎用的バイオイメージング技術となり得る可能性が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Chemical-State-Dependent Free Energy Profile from Single-Molecule Trajectories of Biomolecular Motors: Application to Processive Chitinase (2020)
  • 著者名/発表者名: Okazaki Kei-ichi、Nakamura Akihiko、Iino Ryota
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 30 ページ: 6475-6487
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02698
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystalline chitin hydrolase is a burnt-bridge Brownian motor (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamura A, Okazaki K, Furuta T, Sakurai M, Ando J, Iino R
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 17 号: 0 ページ: 51-58
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2020004
  • NAID: 130007872440
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] セラチア菌由来キチン加水分解酵素の運動機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村彰彦，岡崎圭一，古田忠臣，櫻井実，飯野亮太
  • 雑誌名: 応用糖質科学 巻: 10 ページ: 89-95
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-molecule analysis reveals rotational substeps and chemo-mechanical coupling scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase (2019)
  • 著者名/発表者名: Iida Tatsuya、Minagawa Yoshihiro、Ueno Hiroshi、Kawai Fumihiro、Murata Takeshi、Iino Ryota
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 294 号: 45 ページ: 17017-17030
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.008947
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Nanoparticle Tracking with Angstrom Localization Precision and Microsecond Time Resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Ando Jun、Nakamura Akihiko、Visootsat Akasit、Yamamoto Mayuko、Song Chihong、Murata Kazuyoshi、Iino Ryota
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 115 号: 12 ページ: 2413-2427
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2018.11.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Performance of step-finding algorithm based on the Schwarz Information Criterion depends on noise and data points per dwell-time (2020)
  • 著者名/発表者名: Monique Honsa, Kimitoshi Takeda, Akihiro Otomo, Hanjin Liu, Tomohiro Shima, Ryota Iino
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [学会発表] Improvement of thermostability and catalytic activity of a PET degrading enzyme derived from metagenome database (2020)
  • 著者名/発表者名: Akihiko Nakamura, Naoya Kobayashi, Takahiro Kosugi, Rie Koga, Nobuyasu Koga, Ryota Iino
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [学会発表] Rotational Substeps and Chemo-Mechanical Coupling Scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase Revealed by Single-Molecule Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino
  • 学会等名: Tokyo ATPase Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed single-molecule imaging analysis of protein molecular motors with plasmonic nanoprobes (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino
  • 学会等名: Seminar in IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Processive chitihase is a Brownian monorail operated by fast catalysis after peeling a rail from chitin crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino
  • 学会等名: Workshop on "Molecules, Materials, Devices and Systems"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体・人工分子マシンの共通原理の理解を目指して (2018)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 第15回AMO討論会
  • 招待講演
• [学会発表] プラズモニックナノプローブを用いた生体分子の時分割１分子イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 2018年度 物理学会秋季大会
  • 招待講演
• [備考] 分子研飯野グループホームページ
  • URL: https://groups.ims.ac.jp/organization/iino_g/index.html
• [備考] 分子モーターの１方向性運動モデルの新規推定法の開発 ―キチナーゼの運動メカニズム解明につながる―
  • URL: https://www.ims.ac.jp/news/2020/07/28_4729.html
• [備考] 回転分子モーターV1の化学力学エネルギー変換機構を解明（飯野グループ・飯田大学院生ら）
  • URL: https://www.ims.ac.jp/news/2019/10/25_4457.html
• [備考] 自然科学研究機構 分子科学研究所 飯野グループ
  • URL: https://groups.ims.ac.jp/organization/iino_g/index.html
• [備考] 光学顕微鏡で原子レベルの位置決定精度を達成（飯野グループら）
  • URL: https://www.ims.ac.jp/news/2018/11/28_4134.html