高速機械特性マッピングに向けた基盤技術開発

• 研究課題/領域番号: 19K15412
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分28040:ナノバイオサイエンス関連
• 研究機関: 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究
• 研究代表者: 渡辺 大輝 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任助教 (90836157)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 高速原子間力顕微鏡 / 機械特性マッピング / 細胞レオロジー / 走査型プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 高速AFM / 力学特性

研究開始時の研究の概要

これまで高速AFMによって、生命現象を司る様々なタンパク質の機能動態が明らかにされてきた。高速AFMはナノスケールで対象の構造ダイナミクスを捉えることができる唯一の顕微鏡であるが、硬さなどの機械特性を定量化することは困難であった。近年細胞レオロジーのような機械特性の変化が細胞増殖や細胞死の誘導、がん細胞の転移などの過程において重要視されているが、高速AFMも含めて未だにその経時変化をナノメートル精度で捉えた例は報告されていない。本研究は高速AFM技術を基盤として、生体試料の構造変化のみならず、機械特性のダイナミクスを同時に高時空間分解能で計測することが可能な新規顕微鏡技術の開発を目指している。

研究実績の概要

これまで高速原子間力顕微鏡（高速AFM）によって、生命現象を司る様々なタンパク質の機能動態が生理条件下で明らかにされてきた。さらに、より広域な走査が可能なスキャナーの開発により、タンパク質だけではなく細菌や生細胞などの複合体の表面動態の可視化にも成功している。高速AFMはナノスケールで対象の構造ダイナミクスを捉えることができる唯一の顕微鏡であるが、「硬さ」や「粘弾性」といった機械特性を定量化することは困難であった。また、近年細胞レオロジーのような機械特性の変化が細胞増殖や細胞死の誘導、がん細胞の転移などの過程において益々重要視されているが、高速AFMも含めて未だにその経時変化をナノメートル精度で捉えた例は報告されていない。本研究は高速AFM技術を基盤として、生体試料の構造ダイナミクスのみならず、硬さや粘弾性といった機械特性のダイナミクスを同時に高時空間分解能で計測することが可能な新規顕微鏡技術の開発を目指している。
2019年度においては特に制御用ソフトウェアの改良・開発に従事した。現状では対象の粘弾性を定量化する際には、フォースカーブとして指定した一点のみで測定することしかできなかった。本研究では機械特性を多点において測定する必要があることから、ソフトウェアの改良は急務であった。最近開発されたin-line force モード（Ganser et al. 2019）の持つ高速機械特性をここでも応用することによって、現在では50×50ピクセルにおいて約５sec/frameの取得速度で脂質膜とガラス基板の特性の違いを可視化することが可能となっている。今後はカンチレバーホルダーやZスキャナーなどのハードウェアにおける改良も加えることでさらなる高速化を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] KIAS(韓国)
• [雑誌論文] The Fab portion of immunoglobulin G contributes to its binding to Fcγ receptor III. (2019)
  • 著者名/発表者名: [Rina Yogo,Yuki Yamaguchi,Hiroki Watanabe,Hirokazu Yagi,Tadashi Satoh,Mahito Nakanishi,Masayoshi Onitsuka,Takeshi Omasa,Mari Shimada,Takahiro Maruno,Tetsuo Torisu,Shio Watanabe,Daisuke Higo,Takayuki Uchihashi,Saeko Yanaka,Susumu Uchiyama,Koichi Kato]
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 11957-11957
  • DOI: 10.1038/s41598-019-48323-w
  • NAID: 120006875664
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis of nucleosome assembly by the Abo1 AAA+?ATPase histone chaperone. (2019)
  • 著者名/発表者名: Carol Cho,Juwon Jang,Yujin Kang,Hiroki Watanabe,Takayuki Uchihashi,Seung Joong Kim,Koichi Kato,Ja Yil Lee,Ji-Joon Song
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 5764-5764
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13743-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On-Membrane Dynamic Interplay between Anti-GM1 IgG Antibodies and Complement Component C1q. (2019)
  • 著者名/発表者名: Saeko Yanaka,Rina Yogo,Hiroki Watanabe,Yuki Taniguchi,Tadashi Satoh,Naoko Komura,Hiromune Ando,Hirokazu Yagi,Nobuhiro Yuki,Takayuki Uchihashi,Koichi Kato
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 号: 1 ページ: 147-147
  • DOI: 10.3390/ijms21010147
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著