高速原子間力顕微鏡と高度画像解析の融合による近原子分解能AFM画像への挑戦

• 研究課題/領域番号: 18K19287
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 柴田 幹大 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (80631027)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2018年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: タンパク質 / バイオイメージング / 原子間力顕微鏡 / 画像解析

研究成果の概要

本研究は、生体分子のナノ動態を撮影できる高速原子間力顕微鏡（高速AFM）と、単粒子解析法やディープラーニングによる画像解析を融合し、タンパク質部位の揺らぎ・構造変化を定量化できる画像解析システムの構築を目指した。具体的には、高速AFM動画にMotionCor2を適用し、サブナノメートルの精度で約200枚のAFM画像をドリフト補正することに成功し、その積算画像を得た。積算画像では、タンパク質の動きの少ない部位は空間分解能が向上する一方、揺らぎの大きな部位は分解能が下がり、これを利用してタンパク質内のどの部位が、どの程度の揺らぎを持つのかを定量化することが可能となった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ほとんど全ての生命現象はタンパク質の作用に基づいており、それ故、タンパク質がはたらく仕組みを理解することは、生命科学において非常に重要である。近年の生命科学において、タンパク質の機能発現には、タンパク質部位の“動き”や“揺らぎ”が重要であることが報告され、真にタンパク質の仕組みを理解するには、動きまで含めた動的な構造解析が必須である。本研究は、タンパク質のナノ動態を直接可視化できる高速AFM画像に対し、様々な画像解析を適用するシステムを構築したことにより、高速AFM画像において、これまで見過ごしていたタンパク質の”揺らぎ“に関する情報をより客観的な解析により引き出せるようになった。

研究成果

• [雑誌論文] Macrocyclic peptide-based inhibition and imaging of hepatocyte growth factor. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai K, Passioura T, Sato H, Ito K, Furuhashi H, Umitsu M, Takagi J, Kato Y, Mukai H, Warashina S, Zouda M, Watanabe Y, Yano S, Shibata M, Suga H, Matsumoto K
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 15 号: 6 ページ: 598-606
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0285-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystal structure of heliorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, T. Izume, Okazaki S, Hashimoto M, Mizutori R, Tomida S, Yamauchi Y, Abe-Yoshizumi R, K. Katayama, SP. Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Béjà, T. Uchihashi, H. Kandori, O. Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 574 号: 7776 ページ: 132-136
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1604-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Macrocyclic peptide-based inhibition and imaging of hepatocyte growth factor. (2019)
  • 著者名/発表者名: Katsuya Sakai, Toby Passioura, Hiroki Sato, Kenichiro Ito, Hiroki Furuhashi, Masataka Umitsu, Junichi Takagi, Yukinari Kato, Hidefumi Mukai, Shota Warashina, Maki Zouda, Yasuyoshi Watanabe, Seiji Yano, Mikihiro Shibata, Hiroaki Suga, and Kunio Matsumoto
  • 雑誌名: Nat. Chem. Biol. 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oligomeric states of microbial rhodopsins determined by high-speed atomic force microscopy and circular dichroic spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibata Mikihiro、Inoue Keiichi、Ikeda Kento、Konno Masae、Singh Manish、Kataoka Chihiro、Abe-Yoshizumi Rei、Kandori Hideki、Uchihashi Takayuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 8262-8262
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26606-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High thermal stability of oligomeric assemblies of Thermophilic rhodopsin in a lipid environment. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashi Tsukamoto, Kento Ikeda, Hayato Seki, Keiichi Kojima, Mikihiro Shibata, Izuru Kawamura, Yuki Sudo, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 122 号: 27 ページ: 6945-6953
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b04894
  • 査読あり
• [学会発表] Signal integration mechanism of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II revealed by High-speed AFM. (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata and Hideji Murakoshi
  • 学会等名: BPS2020 64th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Nano-scale imaging of biological samples using High-speed Atomic Force Microscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: LIIF2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるクロマチン動態のナノスケール観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 第２回クロマチン潜在能領域会議
  • 招待講演
• [学会発表] Visualizing flexibility in protein structures by high-speed atomic force microscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy visualization of protein flexibility in action. (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata
  • 学会等名: Joint UBI-NanoLSI workshop TRENDS IN MOLECULAR BIOPHYSICS OF LIVING CELLS
  • 招待講演
• [学会発表] Physicochemical properties of the microbial rhodopsin RxR in the membrane-mimicking molecule styrene maleic acid (SMA) copolymer. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Ueta, Keiichi Kojima, Tomoya Hino, Mikihiro Shibata, Shingo Nagano & Yuki Sudo
  • 学会等名: 第11回日本生物物理学会 中国四国支部大会
• [学会発表] Structure and biophysical characterization of the heliorhodopsin. (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, S. Okazaki, T. Izume, M. Hashimoto, R. Mizutori, S. Tomida, Y. Yamauchi, R. Abe-Yoshizumi, K. Katayama, S. P.Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Beja, T. Uchihashi, H. Kandori and O. Nureki
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
• [学会発表] Application of drift elimination method for high-speed AFM images. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shotaro Tsujioka, Hideji Murakoshi, and Mikihiro Shibata
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
• [学会発表] Mapping of mechanical property on live cell surface by scanning ion conductance microscope. (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoko Kitazawa, Linhao Sun, Ayako Housaka, Takahiro Watanabe-Nakayama, Hiroki Konno, Mikihiro Shibata, and Shinji Watanabe
  • 学会等名: 57th日本生物物理学会年会
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy shows conformational dynamics of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata and Hideji Murakoshi
  • 学会等名: BPS19 63th Annual Meeting
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による生体分子のナノスケールイメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 2018日本表面真空学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による揺らいだタンパク質構造のナノスケール撮影 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 非共有結合系の分子科学：計測技術から探る生体分子科学の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] 計測系から見た分子集合体の機能計測-高速AFM計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柴田幹大
  • 学会等名: 日本化学会第99秋季年会 複雑系のための分子科学―集まって立ち現れる分子機能の理解と設計
  • 招待講演