プロトン駆動力で回転するATP合成酵素を1分子技術とマイクロデバイスで可視化する

• 研究課題/領域番号: 21770168
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 飯野 亮太 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (70403003)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2010
• 研究課題ステータス: 完了 (2010年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2010年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2009年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 1分子計測・操作 / 回転分子モーター / 分子モーター / 1分子計測 / 1分子イメージング / ATP合成酵素 / 基板支持脂質二重膜 / パッチクランプ / マイクロデバイス / プロトン駆動力 / 膜タンパク質

研究概要

基板支持脂質二重膜(サポーテッド膜)に再構成した回転分子モーターATP合成酵素のプロトン駆動力(脂質二重膜間のpH差と膜電位差)による回転の直接観察に取り組んだ。サポーテッド膜を支持する基板としてNTA-アガロースとNTA-ポリアクリルアミドを開発した。これを用い、ATP分解により回転するサポーテッド膜中のATP合成酵素の1分子観察に成功した。またNTA-ポリアクリルアミド基板上の脂質膜をガラスピペットでパッチすることによって、数10メガオーム程度の電気的シールを実現した。ATP加水分解で回転するATP合成酵素を含むサポーテッド膜に電圧を印加した場合、回転速度が変化する例が観察された。今後は詳細なコントロール実験により、電圧応答が真にATP合成酵素の回転挙動を反映しているのかを慎重に検証する必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Activation and stiffness of the inhibited states of F1-ATPase probed by single-molecule manipulation. (2010)
  • 著者名/発表者名: Saita E, Iino R, Suzuki T, Feniouk BA, Kinosita K.Jr, *^Yoshida M.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 285 ページ: 11411-11417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simple dark-field microscopy with nanometer spatial precision and microsecond temporal resolution. (2010)
  • 著者名/発表者名: Ueno H, Nishikawa S, Iino R, Tabata KV, Sakakihara S, Yanagida T, *^Noji H.
  • 雑誌名: Biophys.J. 98 ページ: 2014-2023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluctuation theorem applied to F1-ATPase. (2010)
  • 著者名/発表者名: ^*Hayashi K, Ueno H, Iino R, ^*Noji H.
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phosphate-release in F1-ATPase catalytic cycle follows ADP release. (2010)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Iino R, *Noji H.
  • 雑誌名: Nat.Chem.Biol. 6 ページ: 814-820
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stiffness of γ subunit of F1-ATPase. (2010)
  • 著者名/発表者名: Okuno D, Iino R, ^*Noji H.
  • 雑誌名: Eur.Biophys.J. 39 ページ: 1589-1596
  • 査読あり
• [雑誌論文] A single-molecule enzymatic assay in a directly accessible femtoliter droplet array. (2010)
  • 著者名/発表者名: Sakakihara S, Araki S, ^*Iino R, ^*Noji H.
  • 雑誌名: Lab Chip. 10 ページ: 3355-3362
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stiffness of γ subunit of F_1-ATPase. (2010)
  • 著者名/発表者名: Okuno D, Iino R, Noji H.
  • 雑誌名: Eur.Biophys.J. 巻: 39 ページ: 1589-1596
  • 査読あり
• [雑誌論文] A single-molecule enzymatic assay in a directly accessible femtoliter droplet array (2010)
  • 著者名/発表者名: Sakakihara S, Araki S, Iino R, Noji H.
  • 雑誌名: Lab Chip. 巻: 10 ページ: 3355-3362
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of inhibition by C-terminal α-helices of the ε subunit of Escherichia coli FoF1-ATP synthase. (2009)
  • 著者名/発表者名: ^*Iino R, Hasegawa R, Tabata KV, ^*Noji H.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 284 ページ: 17457-17464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-molecule study on the temperature-sensitive reaction of F1-ATPase with a hybrid F1 carrying a single β(E190D). (2009)
  • 著者名/発表者名: Enoki S, Watanabe R, Iino R, ^*Noji H.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 284 ページ: 23169-23176
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of ATP levels inside single living cells with fluorescence resonance energy transfer-based genetically encoded indicators. (2009)
  • 著者名/発表者名: ^*Imamura H, Huynh Nhat KP, Togawa H, Saito K, Iino R, Kato-Yamada Y, Nagai, T, ^*Noji H.
  • 雑誌名: Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 106 ページ: 15651-15656
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of ATP levels inside single living cells with fluorescence resonance energy transfer-based genetically encoded indicators (2009)
  • 著者名/発表者名: Imamura, H., Huynh Nhat, K.P., Togawa, H., Saito, K., Iino, R., Kato-Yamada, Y., Nagai, T., Noji, H.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci USA. 106 ページ: 15651-15656
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-molecule study on the temperature-sensitive reaction of F_1-ATPase with a hybrid F_1 carrying a single β (E190D) (2009)
  • 著者名/発表者名: Enoki, S., Watanabe, R., Iino, R., Noji, H.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 284 ページ: 23169-23176
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of inhibition by C-terminal α-helices of the ε subunit of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • 著者名/発表者名: Iino, R., Hasegawa, R., Tabata, K.V., Noli, H.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 284 ページ: 17457-17464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and Biological Application of Water-In-Oil Microchamber Array Formed on Hydrophobic/Hydrophilic Patterned Surface. (2009)
  • 著者名/発表者名: Iino R, Sakakihara S, Noji H
  • 雑誌名: Proc μTAS 2 ページ: 1121-1123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of multidrug efflux pump inhibitors by a new method using microfluidic channels.
  • 著者名/発表者名: ^*Matsumoto Y, Hayama K, Sakakihara S, Nishino K, Noji H, *^Iino R, Yamaguchi A.
  • 雑誌名: PLoS ONE 2011 in press
  • 査読あり
• [学会発表] 分子モーターの性質を調べる1分子計測技術 (2011)
  • 著者名/発表者名: *飯野亮太
  • 学会等名: (社)日本電気計測器工業会 関西支部 第29回戦略的基盤技術検討委員会
  • 発表場所: 大阪(招待講演)
  • 年月日: 2011-02-07
• [学会発表] 分子モーターの性質を調べる1分子計測技術 (2011)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: (社)日本電気計測器工業会関西支部第29回戦略的基盤技術検討委員会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2011-02-07
• [学会発表] Subunit rotation in a single FoF1-ATP synthase in a living bacterium monitored by FRET. (2011)
  • 著者名/発表者名: Seyfert K., Oosaka T., Yaginuma H.,Ernst S., Noji H., *Iino R., *Borsch M.
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2011.
  • 発表場所: San Francisco, USA
• [学会発表] ATP合成酵素を1分子技術で視る・操る (2010)
  • 著者名/発表者名: *飯野亮太
  • 学会等名: 光塾第2回研究会
  • 発表場所: 大阪(招待講演)
  • 年月日: 2010-12-11
• [学会発表] ATP合成酵素を1分子技術で視る・操る (2010)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 光塾第2回研究会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2010-12-11
• [学会発表] Single-molecule studies on the fluctuation and function of a rotary motor protein ATP synthase. (2010)
  • 著者名/発表者名: *Iino R.
  • 学会等名: The 4th International Symposium "Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions"
  • 発表場所: Shiga. Japan
  • 年月日: 2010-11-30
• [学会発表] Single-molecule studies on the fluctuation and function of a rotary motor protein ATP synthase (2010)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino
  • 学会等名: The 4th International Symposium "Moleculaz Science of Fluctuations toward Biological Functions"
  • 発表場所: 大津
  • 年月日: 2010-11-30
• [学会発表] 1分子技術で生体回転ナノモーターを視る・操る (2010)
  • 著者名/発表者名: *飯野亮太
  • 学会等名: 特定領域研究「高次系分子科学」若手の会研究会
  • 発表場所: 仙台(招待講演)
  • 年月日: 2010-11-26
• [学会発表] 1分子技術で生体回転ナノモーターを視る・操る (2010)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 特定領域研究「高次系分子科学」若手の会研究会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2010-11-26
• [学会発表] 中身を出し入れできる細胞サイズのうつわを創る (2010)
  • 著者名/発表者名: *飯野亮太
  • 学会等名: 細胞を創る研究会3.0シンポジウム「器をつくる」
  • 発表場所: 東京(招待講演)
  • 年月日: 2010-11-12
• [学会発表] 中身を出し入れできる細胞サイズのうつわを創る (2010)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 細胞を創る研究会3.0シンポジウム「器をつくる」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-11-12
• [学会発表] Fluctuation and function of a rotary motor protein (2010)
  • 著者名/発表者名: *飯野亮太
  • 学会等名: 第48回日本生物物理学会年会シンポジウム「Fluctuation and Function ofBiomolecules」.
  • 発表場所: 仙台(招待講演)
  • 年月日: 2010-09-20
• [学会発表] Fluctuation and function of a rotary motor protein (2010)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太
  • 学会等名: 第48回日本生物物理学会年会シンポジウム「Fluctuation and Function of Biomolecules」
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2010-09-20
• [学会発表] Direct observation of steps in c-ring rotation of Escherichia coli FoF1-ATP synthase (Selected for Oral Presentation). (2010)
  • 著者名/発表者名: Iino R., Khek-Chian Tham, Kazuhito V.Tabata, Hiroshi Ueno, *Hiroyuki Noji.
  • 学会等名: 16th European Bioenergetics Conference.
  • 発表場所: Warsaw. Poland
  • 年月日: 2010-07-18
• [学会発表] Direct observation of steps in c-ring rotation of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2010)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino, Khek-Chian Tham, Kazuhito V., Tabata, Hiroshi Ueno, Hiroyuki Noji.
  • 学会等名: 16th European Bioenergetics Conference
  • 発表場所: ワルシャワ、ポーランド
  • 年月日: 2010-07-18
• [学会発表] Single-Molecule Imaging of Ion-Transporting Rotary Motor Protein (2010)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino, Khek-Chian Tham, Kazuhito V. Tabata, Hiroshi Ueno, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: International Symposium of Joint Research Network on Advanced Materials and Devices
  • 発表場所: Sapporo (Japan)
  • 年月日: 2010-03-25
• [学会発表] 超微小反応容器を用いた1分子バイオアッセイ (2010)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太, 野地博行
  • 学会等名: 第57同応用物理学関連連合講演会シンポジウム「ナノバイオエンジニアリングの現状と未来像」
  • 発表場所: 神奈川県平塚市
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] Fluctuation theorem applied to F_1-ATPase (2010)
  • 著者名/発表者名: Kumiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Biophysical Society 54^<th> Annual Meeting
  • 発表場所: San Francisco (USA)
  • 年月日: 2010-02-24
• [学会発表] The role of P_1-release as the main torque generating step of F_1-ATPase (2010)
  • 著者名/発表者名: Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Biophysical Society 54^<th> Annual Meeting
  • 発表場所: San Francisco (USA)
  • 年月日: 2010-02-21
• [学会発表] Culture, detection, and recovery of the antibiotic-tolerant persister bacteria in the directly accessible microchamber array. (2010)
  • 著者名/発表者名: *Iino R., Hayama K., Sakakihara S., Noji H.
  • 学会等名: 14th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2010).
  • 発表場所: Groningen, Netherlands
• [学会発表] Simple Total Internal Reflection Dirk-field Microscopy with Nanometer spatial precision and Microsecond Temporal Resolution (2009)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ueno, So Nishikawa, Ryota Iino, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: The 31^<rd> International Symposium: Molecular Science of Fluctuation toward Biological Functions
  • 発表場所: Nagoya (Japan)
  • 年月日: 2009-12-20
• [学会発表] Direct observation of steps in c-ring rotation of Escherichia coli FoF1-ATP synthase. (2009)
  • 著者名/発表者名: *Iino R., Khek-Chian Tham, Kazuhito V.Tabata, Hiroshi Ueno, *Hiroyuki Noji.
  • 学会等名: International Symposium : Watching Biomolecules in Action (WBMA'09).
  • 発表場所: Osaka. Japan
  • 年月日: 2009-12-15
• [学会発表] Direct observation of steps in c-ring rotation of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino
  • 学会等名: JST/CREST Symposium: WBMA'09 (Watching Biomolecules in Action)
  • 発表場所: Osaka (Japan)
  • 年月日: 2009-12-15
• [学会発表] Simple Total Internal Reflection Dirk-field Microscopy with Nanometer spatial precision and Microsecond Temporal Resolution (2009)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ueno, So Nishikawa, Ryota Iino, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: 第47回 (2009年度) 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2009-11-01
• [学会発表] Stiffness of Y subunit of F_1-ATPase (2009)
  • 著者名/発表者名: Daichi Okuno, Ryota Iino, Rie Hasegawa, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: 第47回 (2009年度) 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2009-11-01
• [学会発表] Mechanism of inhibition by C-terminal a-helices of the ε subunit of Escherichia coli F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • 著者名/発表者名: Ryota Iino, Rie Hasegawa, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: 第47回 (2009年度) 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2009-11-01
• [学会発表] The completion of chemo-mechanical coupling scheme of F_1-ATPase ; The determination of the timing of P_1-release (2009)
  • 著者名/発表者名: Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Rvota Iino. Hirovuki Noji
  • 学会等名: 第47回 (2009年度) 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2009-11-01
• [学会発表] Torque measurements of F_1-ATPase by using the fluctuation theorem (2009)
  • 著者名/発表者名: Kumiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • 学会等名: 第47回 (2009年度) 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2009-10-30
• [学会発表] 36-degree stepping rotation of FoF1-ATP synthase (2009)
  • 著者名/発表者名: *Hiroyuki Noji, *Iino R.
  • 学会等名: International Symposium : Innovative Nanoscience of Supermolecular Motor Proteins Working in Biomembrane.
  • 発表場所: Kyoto. Japan(招待講演)
  • 年月日: 2009-09-09
• [学会発表] 36-degree stepping rotation of F_0F_1-ATP synthase (2009)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji, Ryota Iino
  • 学会等名: International Symposium "Innovative Nanoscience of Supermolecular Motor Proteins Working in Biomembranes"
  • 発表場所: Kyoto (Japan)
  • 年月日: 2009-09-09
• [学会発表] Preparation and biological application of water-in-oil microchamber array formed on hydrophobic/hydrophilic patterned surface. (2009)
  • 著者名/発表者名: *Iino R., Sakakihara S., Noji H.
  • 学会等名: 13th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2009).
  • 発表場所: Jeju, Korea
• [図書] Fundamental Properties and Structure of F_1-ATPase. In "Encyclopedia of Biophysics" edited by Roberts G.C. (2011)
  • 著者名/発表者名: Okuno D, Iino R, Noji H.
  • 出版者: Springer (India)(In press)
• [図書] ATP synthase-Structure and dynamics of the smallest rotary motor proteins. In "Molecular Biology of Assemblies and Machines" edited by Baumeister W, Johnson L, Perham R, and Steven A. (2011)
  • 著者名/発表者名: Noji H, Iino R.
  • 出版者: Garland(England)(In press)
• [図書] In "Encyclopedia of Biophysics" (edited by Roberts G.C.)(Fundamental Properties and Structure of F1-ATPase.)(In press) (2010)
  • 著者名/発表者名: Okuno D, Iino R, ^*Noji H.
  • 出版者: Springer (India).
• [図書] In "Molecular Biology of Assemblies and Machines"(ATP synthase-Structure and dynamics of the smallest rotary motor proteins.)(edited by Baumeister W, Johnson L,Perham R, Steven A.)(In press) (2010)
  • 著者名/発表者名: ^*Noji H, Iino R.
  • 出版者: Garland (England).
• [図書] 「第4章第1節第1項生体膜超分子モーター-細胞の同転エネルギー変換装置:ATP合成酵素」超分子サイエンス&テクノロジー (2009)
  • 著者名/発表者名: 飯野亮太、田端和仁、野地博行
  • 出版者: NTS
• [産業財産権] ビーズ封入方法、ターゲット分子を検出する方法、アレイ、キット及びターゲット分子検出装置 (2011)
  • 発明者名: *^野地博行, 新木卓, 飯野亮太
  • 権利者名: 科学技術振興機構
  • 産業財産権番号: 2011-050629
  • 出願年月日: 2011-03-08