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毎秒100フレーム取得可能な高速AFMの開発と実証応用研究

研究課題

研究課題/領域番号 22H00405
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
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

安藤 敏夫  金沢大学, ナノ生命科学研究所, 特任教授 (50184320)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
40,170千円 (直接経費: 30,900千円、間接経費: 9,270千円)
2025年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
2024年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
2023年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
2022年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
キーワード高速AFM / タンパク質 / ダイナミクス / 分子プロセス / バイオイメージング / 低侵襲イメージング / 高速イメージング / 機能動態
研究開始時の研究の概要

代表者が開発した世界最速の高速AFMは、個々のタンパク質分子の動的な構造とプロセスを直接可視化できる唯一の技術である。高速AFMは世界に普及し、そのバイオ応用研究の成果報告が近年急速に増大している。しかし,機能・構造を乱さずにイメージングできる最高速度は10フレーム/秒(fps)前後であり、この速度では観察できない動的現象と試料系が多く存在する。そこで、装置デバイスの速度性能向上に加え、低侵襲性を向上させる技術を開発することにより、速度性能を更に上げ、標準的なタンパク質分子で100 fpsを実現する。その威力を従来の高速AFMでは困難であった速い動的現象と脆弱なバイオ試料系の観察により実証する。

研究実績の概要

代表者が開発した高速AFMは機能動作中のタンパク質分子を直接動画撮影できる唯一の顕微鏡である。すでに世界中で利用され、応用研究が急速に進展している。しかし、イメージング可能な最高速度は毎秒10画像(10fps)程度であり、この速度では捉えられない試料系、動的現象が多く存在する。装置を構成する諸デバイスを更に高速化することは、フィードバック帯域を向上させ、それによりイメージング速度を向上させるための正攻法だが、限界がある。そこで、フィードバック帯域の向上だけに頼らず、試料への低侵襲性能を更に上げることなどにより、高速AFMの最大可能なイメージング速度を従来の10倍程度(100fps)にまで上げることを目指し、本研究において以下4点の技術開発に取り組んできた。 (1)X方向の往復走査の内、往き走査時にのみ探針を試料に間欠接触させて画像取得するOTI法とゲインを自動調節可能なダイナミックPID制御法とを組み合わせることによる低侵襲性能の更なる向上、(2)カンチレバーのレーザー励振に基づく安定な質量(M値)制御法によるカンチレバーの共振周波数の向上、(3)スキャナーの高速X走査に伴って生ずるZ方向の共振振動の除去(Z方向共振の伝達関数を利用する新しい制御法による)、(4)カンチレバーメーカーとの共同研究による更に共振周波数が高く、ばね定数の小さい微小カンチレバーの作製。(1)-(3)については、期待した成果を得ることができた。(4)についてはある程度進展したが、未だ条件検討を要する。これらの開発により、試料の形状、基板上での配置、脆弱性などの条件に依存するが、X方向に配向した微小管では100fps、アクチン線維では70fpsを達成した。段差が急で、且つ、脆弱な回転軸のないF1-ATPaseを30fpsで撮影し、これまで捉えられなかった中間体を捉えることに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画した技術開発は順調に進展し、目標とした速度性能をほぼ達成した。

今後の研究の推進方策

技術開発については、M値制御に用いる2階微分回路の広帯域化とカンチレバーの更なる微小化による共振周波数の一層の向上、更に微小化したカンチレバーに適した光てこ光学系の改良が残されている。これらについて開発を継続する。一方、最高100fpsの撮影速度を有する高速AFMの威力を示す応用研究を本格化する。具体的には、(i)すでに着手した回転軸のないF1-ATPase(α3β3複合体)のATPase反応に伴う構造変化、(ii)骨格筋ミオシンとアクチン線維との相互作用に伴う構造変化のイメージングに取り組む。後者については、最適なアッセイ系を構築する。これら他、随時適した試料系(例えば、揺らぎの大きな天然変性タンパク質、分子シャペロンHSP70など)のイメージングを検討する。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 4件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 4件、 招待講演 10件) 図書 (2件) 備考 (8件)

  • [国際共同研究] Zernike Institut(オランダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] An Efficient Method for Isolating and Purifying Nuclei from Mice Brain for Single-Molecule Imaging Using High-Speed Atomic Force Microscopy2024

    • 著者名/発表者名
      Qiu Yujia、Sajidah Elma Sakinatus、Kondo Sota、Narimatsu Shinnosuke、Sandira Muhammad Isman、Higashiguchi Yoshiki、Nishide Goro、Taoka Azuma、Hazawa Masaharu、Inaba Yuka、Inoue Hiroshiら
    • 雑誌名

      Cells

      巻: 13 号: 3 ページ: 279-279

    • DOI

      10.3390/cells13030279

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Technical advances in high-speed atomic force microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Fukuda Shingo、Ando Toshio
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 15 号: 6 ページ: 2045-2058

    • DOI

      10.1007/s12551-023-01171-5

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Dynamics of E6AP E3 Ligase HECT Domain and Involvement of a Flexible Hinge Loop in the Ubiquitin Chain Synthesis Mechanism2023

    • 著者名/発表者名
      Takeda Kazusa、Flechsig Holger、Muro Ikumi、Amyot Romain、Kobayashi Fuminori、Kodera Noriyuki、Ando Toshio、Konno Hiroki
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 号: 24 ページ: 11940-11948

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c04150

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nanoscopic Elucidation of Spontaneous Self-Assembly of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Open Reading Frame 6 (ORF6) Protein2023

    • 著者名/発表者名
      Nishide Goro、Lim Keesiang、Tamura Maiki、Kobayashi Akiko、Zhao Qingci、Hazawa Masaharu、Ando Toshio、Nishida Noritaka、Wong Richard W.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 38 ページ: 8385-8396

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c01440

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Protein dynamics by the combination of high-speed AFM and computational modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Flechsig Holger、Ando Toshio
    • 雑誌名

      Current Opinion in Structural Biology

      巻: 80 ページ: 102591-102591

    • DOI

      10.1016/j.sbi.2023.102591

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Nanoscopic Assessment of Anti-SARS-CoV-2 Spike Neutralizing Antibody Using High-Speed AFM.2023

    • 著者名/発表者名
      Keesiang Lim, Goro Nishide, Elma Sakinatus Sajidah, Tomoyoshi Yamano, Yujia Qiu, Takeshi Yoshida, Akiko Kobayashi, Masaharu Hazawa, Toshio Ando, Rikinari Hanayama, Richard W Wong
    • 雑誌名

      Nano letters

      巻: 23 号: 2 ページ: 619-628

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c04270

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] PQBP5/NOL10 maintains and anchors the nucleolus under physiological and osmotic stress conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Xiaocen、Tanaka Hikari、Jin Meihua、Fujita Kyota、Homma Hidenori、Inotsume Maiko、Yong Huang、Umeda Kenichi、Kodera Noriyuki、Ando Toshio、Okazawa Hitoshi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 1-20

    • DOI

      10.1038/s41467-022-35602-w

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of Hidden Markov Modeling of Molecular Orientations and Structures from High-Speed Atomic Force Microscopy Time-Series Images2023

    • 著者名/発表者名
      Tomonori Ogane, Daisuke Noshiro, Toshio Ando, Atsuko Yamashita, Yuji Sugita, Yasuhiro Matsunaga
    • 雑誌名

      PLoS Comp. Biol.

      巻: 18 号: 12 ページ: e1010384-e1010384

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010384

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Actin-binding domain of Rng2 sparsely bound on F-actin strongly inhibits actin movement on myosin II2022

    • 著者名/発表者名
      Hayakawa Yuuki、Takaine Masak、Ngo Kien Xuan、Imai Taiga、Yamada Masafumi D、Behjat Arash Badami、Umeda Kenichi、Hirose Keiko、Yurtsever Ayhan、Kodera Noriyuki、Tokuraku Kiyotaka、Numata Osamu、Fukuma Takeshi、Ando Toshio、Nakano Kentaro、Uyeda Taro QP
    • 雑誌名

      Life Science Alliance

      巻: 6 号: 1 ページ: e202201469-e202201469

    • DOI

      10.26508/lsa.202201469

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Functional Implications of Dynamic Structures of Intrinsically Disordered Proteins Revealed by High-Speed AFM Imaging2022

    • 著者名/発表者名
      Ando Toshio
    • 雑誌名

      Biomolecules

      巻: 12 号: 12 ページ: 1876-1876

    • DOI

      10.3390/biom12121876

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatiotemporal tracking of small extracellular vesicle nanotopology in response to physicochemical stresses revealed by HS-AFM.2022

    • 著者名/発表者名
      Elma Sakinatus Sajidah, Keesiang Lim, Tomoyoshi Yamano, Goro Nishide, Yujia Qiu, Takeshi Yoshida, Hanbo Wang, Akiko Kobayashi, Masaharu Hazawa, Firli R P Dewi, Rikinari Hanayama, Toshio Ando, Richard W Wong
    • 雑誌名

      Journal of extracellular vesicles

      巻: 11 号: 11 ページ: 12275-12275

    • DOI

      10.1002/jev2.12275

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Guide to studying intrinsically disordered proteins by high-speed atomic force microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Kodera Noriyuki、Ando Toshio
    • 雑誌名

      Methods

      巻: 207 ページ: 44-56

    • DOI

      10.1016/j.ymeth.2022.08.008

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Visualization of intrinsically disordered proteins by high-speed atomic force microscopy.2022

    • 著者名/発表者名
      N. Kodera, T. Ando
    • 雑誌名

      Curr. Opin. Struct. Biol.

      巻: 72 ページ: 260-266

    • DOI

      10.1016/j.sbi.2021.11.014

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A high-speed piezoelectric Z-scanner with a resonance frequency above 1.1 MHz for high-speed atomic force microscopy.2022

    • 著者名/発表者名
      M. Shimizu, C. Okamoto, K. Umeda, S. Watanabe, T. Ando, N. Kodera
    • 雑誌名

      Rev. Sci. Instrum.

      巻: 93 号: 1 ページ: 013701-013701

    • DOI

      10.1063/5.0072722

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-speed atomic force microscopy reveals a three-state elevator mechanism in the citrate transporter CitS2022

    • 著者名/発表者名
      Maity Sourav、Trinco Gianluca、Buzon Pedro、Anshari Zaid R.、Kodera Noriyuki、Ngo Kien Xuan、Ando Toshio、Slotboom Dirk J.、Roos Wouter H.
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 119 号: 6 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1073/pnas.2113927119

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Dual mechanism of EEA1-mediated vesicle fusion2024

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 学会等名
      XXIII Linz Winter Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高速AFMの技術と応用に関する最近の動向2024

    • 著者名/発表者名
      安藤敏夫
    • 学会等名
      第4回高速AFMオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Directly watching protein molecules in dynamic action by high-speed AFM2023

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 学会等名
      The partnership for structural biology symposium "Dynamics in Structural Biology"
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡によるタンパク質の機能メカニズムの解明2023

    • 著者名/発表者名
      安藤敏夫
    • 学会等名
      サイエンステクノフロンティアフォーラム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Directly observing protein molecules in dynamic action by high-speed atomic force microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 学会等名
      Seminar at the Institute of Molecular Biology and Biotechnology, Foundation for Research & Technology - Hellas (Crete, Greece)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] High-speed atomic force microscopy in biology2022

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 学会等名
      Workshop on Computational Biophysics of Atomic Force Microscopy (Kanazawa)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ATP energy usage in biomolecular machinery2022

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on single molecule approaches to biology (Castelldefels, Spain)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高速AFM技術について2022

    • 著者名/発表者名
      安藤敏夫
    • 学会等名
      第3回高速AFMオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡の仕組みと応用2022

    • 著者名/発表者名
      安藤敏夫
    • 学会等名
      京都府中小企業技術センター 表面技術セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 液中生物ナノメーター世界の高速観察の実現2022

    • 著者名/発表者名
      安藤敏夫
    • 学会等名
      日本生物物理学会 第9会総会シンポジウム (函館アリーナ)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] Chapter in "Encyclopedia of Solid-Liquid Interfaces"2024

    • 著者名/発表者名
      Linhao Sun, Shinji Watanabe and Toshio Ando
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      Elsevier
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] High-speed Atomic Force Microscopy in Biology: Directly watching dynamics of biomolecules in action"2022

    • 著者名/発表者名
      Toshio Ando
    • 総ページ数
      319
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783662647837
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://biophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/index_J.htm

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://biophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/index.htm

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/highlights/26581/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/highlights/26357/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 金沢大学 生物物理学グループへようこそ

    • URL

      http://biophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/index_J.htm

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] Welcome to Kanazawa Biophysics Goup

    • URL

      http://biophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/index.htm

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] NanoLSI Research Highlights

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/research/research-highlights/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] NanoLSI Research Highlights

    • URL

      https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/research/research-highlights/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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