ATP合成酵素の次世代1分子生物物理

• 研究課題/領域番号: 25251016
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野地 博行 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00343111)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 47,060千円 (直接経費: 36,200千円、間接経費: 10,860千円); 2015年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2014年度: 14,950千円 (直接経費: 11,500千円、間接経費: 3,450千円); 2013年度: 21,840千円 (直接経費: 16,800千円、間接経費: 5,040千円)
• キーワード: 1分子生物物理 / ナノバイオ / ATP合成酵素 / 生体エネルギー / マイクロチャンバー / 1分子計測 / 表面プラズモン / 膜チャンバー / トランスポーター / 1分子計測・操作 / 分子モーター / ＡＴＰ合成 / 表面増強ラマン / 1分子観察

研究成果の概要

F1-ATPaseの分子機構に関し大きな進展があった。細胞内制御に係わる阻害状態への遷移する機構の解明に加え、加水分解とリン酸解離の角度が異なることを明らかとした。また、ATPのリン酸部部分との相互作用がトルクに直接寄与することを明らかにした。ナノロッドの異方性散乱を用いた超高速1分子計測技術を確立し、F1に加えキネシンの新しい反応中間体を発見することに成功した。また、超微小リアクタを脂質二重膜でシールした膜チャンバー技術を開発し、1分子のATP合成酵素のプロトン輸送活性測定に成功した。以上の通り、ATP合成酵素に関する根源的理解を進め、普遍的な新しい1分子計測技術を確立した。

研究成果

• [雑誌論文] Novel nano-device to measure voltage-driven membrane transporter activity (2016)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, R., Soga, N., & Noji, H.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nanotechnology 巻: 15 号: 1 ページ: 70-73
  • DOI: 10.1109/tnano.2015.2498167
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A single-molecule digital enzyme assay using alkaline phosphatase with a cumarin-based fluorogenic substrate (2015)
  • 著者名/発表者名: Obayashi Y, Iino R, Noji H
  • 雑誌名: Analyst 巻: 140 号: 15 ページ: 5065-6073
  • DOI: 10.1039/c5an00714c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Giant Acceleration of diffusion observed in a single-molecule experiment on F1-ATPase (2015)
  • 著者名/発表者名: Hayashi R, Sasaki K, Nakamura S, Kudo S, Inoue Y, Noji H, Hayashi K
  • 雑誌名: Physical Review letters 巻: 114
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Attolitre-sized lipid bilayer chamber array for rapid detection of single transporters (2015)
  • 著者名/発表者名: Soga, N., *Watanabe, R., & Noji, H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 11025-11025
  • DOI: 10.1038/srep11025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Comprehensive chemical secretory measurement of single cells trapped in a micro-droplet array with mass spectrometry (2015)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Fujita, Tsuyoshi Esaki, Tsutomu Masujima, Akitsu Hotta, Soo Hyeon Kim, Hiroyuki Noji, Tomonobu M. Watanabe
  • 雑誌名: RSC Adv. 巻: 5 号: 22 ページ: 16968-16971
  • DOI: 10.1039/c4ra12021c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of an ATP analogue, adenosine 5′-[α-thio]-triphosphate, on F1-ATPase rotary catalysis, torque generation, and inhibited intermediated formation (2015)
  • 著者名/発表者名: Yukawa A, Watanabe R and Noji H
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 458 号: 3 ページ: 515-519
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2015.01.146
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-speed angle-resolved imaging of single gold nanorod with microsecond temporal resolution and one degree angle precision (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Enoki, R. Iino, Y. Niitani, Y. Minagawa, M. Tomishige, H. Noji
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 87 号: 4 ページ: 2079-2086
  • DOI: 10.1021/ac502408c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Torque transmission mechanism via DELSEED loop of F1-ATPase (2015)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Koyasu K, You H, Tanigawara M and Noji H
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 108 号: 5 ページ: 1144-1152
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2015.01.017
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-molecule Imaging Analysis of Elementary Reaction Steps of Trichoderma reesei Cellobiohydrolase I (Cel7A) Hydrolyzing Crystalline Cellulose Iα and IIII (2014)
  • 著者名/発表者名: Y.Shibafuji, A.Nakamura, T.Uchihashi, N.Sugimoto, S.Fukuda, H.Watanabe, M.Samejima, T.Ando, H.Noji, A.Koivula, K.Igarashi, R.Iino
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 289 (29) 号: 20 ページ: 1405614065-1405614065
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.546085
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of the temperature-sensitive reaction of F1-ATPase by using single molecule manipulation (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R and Noji H
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 号: 1 ページ: 4962-4962
  • DOI: 10.1038/srep04962
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Timing of inorganic phosphate release modulates the catalytic activity of ATP-driven rotary motor protein (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R and Noji H
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 号: 1 ページ: 3486-3486
  • DOI: 10.1038/ncomms4486
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] F1subunit reinforces torque generation in V-ATPase (2014)
  • 著者名/発表者名: Junichi Kishikawa, Akihiko Seino, Atsuko Nakanishi, Naciye Esma Tirtom, Hiroyuki Noji, Ken Yokoyama, Kumiko Hayashi
  • 雑誌名: European Biophysics Journal 巻: 43 号: 8-9 ページ: 415-422
  • DOI: 10.1007/s00249-014-0973-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Torque generation mechanism of F1-ATPase upon NTP binding (2014)
  • 著者名/発表者名: Arai HC, Yukawa A, Iwatate JR, Kamiya M, Watanabe R, Urano Y and Noji H
  • 雑誌名: Biophys J 巻: 107 号: 1 ページ: 156-164
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.05.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-Time Fluorescence Visualization of Slow Tautomerization of Single Free-Base Phthalocyanines under Ambient Conditions (2014)
  • 著者名/発表者名: Ikeda T, Iino R and Noji H
  • 雑誌名: Chem. Commun 巻: 50 号: 67 ページ: 9443-9446
  • DOI: 10.1039/c4cc02574a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Motion Capture and Manipulation of Single Synthetic Molecular Rotors by Optical Microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Ikeda T, Tsukahara T, Iino R, Takeuchi M and Noji H
  • 雑誌名: Angew.Chem.Int.Ed 巻: 53 号: 38 ページ: 10082-10085
  • DOI: 10.1002/ange.201403091
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Robustness of the Rotary Catalysis Mechanism of F1-ATPase (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Matsukage Y, Yukawa A, Tabata KV and Noji H
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: 289 号: 28 ページ: 19331-19340
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.569905
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Arrayed lipid bilayer chambers allow single-molecule analysis of membrane transporter activity (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R., Soga N., Fujita D., Tabata K. V., Yamauchi L., Kim S. H., Asanuma D., Kamiya M., Urano Y., Suga H. & Noji H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 号: 1 ページ: 4519-4519
  • DOI: 10.1038/ncomms5519
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Diversity in ATP concentrations in a single bacterial cell population revealed by quantitative single-cell imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Yaginuma, Shinnosuke Kawai, Kazuhito V. Tabata, Keisuke Tomiyama, Akira Kakizuka, Tamiki Komatsuzaki, Hiroyuki Noji, and Hiromi Imamura
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 号: 1 ページ: 6522-6522
  • DOI: 10.1038/srep06522
  • NAID: 120005575159
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermodynamic analysis of F1-ATPase rotary catalysis using high-speed imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Minagawa Y and Noji H
  • 雑誌名: Protein Science 巻: 23 号: 12 ページ: 1773-1779
  • DOI: 10.1002/pro.2559
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Torque generation of Enterococcus hirae V-ATPase (2014)
  • 著者名/発表者名: Ueno H, Minagawa Y, Hara M, Rahman S, Yamato I, Muneyuki E, Murata T, and Iino R
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 289 号: 45 ページ: 31212-31223
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.598177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-throughput formation of lipid bilayer membrane arrays with an asymmetric lipid composition (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R., Soga N., Yamanaka T. & Noji H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 号: 1 ページ: 7076-7076
  • DOI: 10.1038/srep07076
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Key Chemical Factors of Arginine Finger Catalysis of F1-ATPase Clarified by an Unnatural Amino Acid Mutation (2014)
  • 著者名/発表者名: Yukawa A, Iino R, Watanabe R, Hayashi S and Noji H
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 54 号: 2 ページ: 472-480
  • DOI: 10.1021/bi501138b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Catalysis-enhancement via rotary fluctuation of F1-ATPase (2013)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Hayashi K, Ueno H and Noji H
  • 雑誌名: Biophys. J 巻: 105 号: 10 ページ: 2385-2391
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.09.050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Glucose-stimulated single pancreatic islets sustain increased cytosolic ATP levels during initial Ca2+ influx and subsequent Ca2+ oscillations (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka T, Nagashima K, Inagaki N, Kioka H, Takashima S, Fukuoka H, Noji H, Kakizuka A and Imamura H
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: 289 号: 4 ページ: 2205-2216
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.499111
  • NAID: 120005689188
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantifying genetically inserted fluorescent protein in single iPS cells to monitor Nanog expression using electroactive microchamber arrays (2013)
  • 著者名/発表者名: Kim SH, He X, Kaneda S, Kawada J, Fourmy D, Noji H and Fujii T
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 14 号: 4 ページ: 730-736
  • DOI: 10.1039/c3lc51086g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of intra-mitochondrial ATP levels identifies G0/G1 switch gene 2 as a positive regulator of oxidative phosphorylation (2013)
  • 著者名/発表者名: Kioka H, Kato H, Fujikawa M, Tsukamoto O, Suzuki T, Imamura H, Nakano A, Higo S, Yamazaki S, Matsuzaki T, Tkafuji K, Asanuma H, Asakura M, Minamino T, Shintani Y, Yoshida M, Noji H, Kitakaze M, Komuro I, Asano Y and Takashima S
  • 雑誌名: PNAS 巻: 111 号: 1 ページ: 273-278
  • DOI: 10.1073/pnas.1318547111
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Basic properties of rotary dynamics of the molecular motor Enterococcus hirae V1-ATPase (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Minagawa, Hiroshi Ueno, Mayu Hara, Yoshiko Ishizuka-Katsura, Noboru Ohsawa,Takaho Terada, Mikako Shirouzu, Shigeyuki Yokoyama, Ichiro Yamato, Eiro Muneyuki, Hiroyuki Noji, Takeshi Murata, and Ryota Iino
  • 雑誌名: J.Biol.Chem 巻: 288 号: 45 ページ: 32700-32707
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.506329
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single molecule analysis of the rotation of F1-ATPase under high hydrostatic pressure (2013)
  • 著者名/発表者名: Daichi Okuno, Masayoshi Nishiyama and Hiroyuki Noji
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 105 号: 7 ページ: 1635-1642
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.08.036
  • NAID: 120005328380
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-molecule analysis of FoF1-ATP synthase inhibited by N,N-dicyclohexylcarbodiimide (2013)
  • 著者名/発表者名: Toei M and Noji H
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: 288 号: 36 ページ: 25717-25726
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.482455
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vivo fluorescent ATP imaging of Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans by using a genetically encoded fluorescent ATP biosensor optimized for low temperatures. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsuyama, Taiichi; Kishikawa, Jun-ichi; Han, Yong-Woon; Harada, Yoshie; Tsubouchi, Asako; Noji, Hiroyuki; Kakizuka, Akira; Yokoyama, Ken; Uemura, Tadashi; Imamura, Hiromi.
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 85(16) 号: 16 ページ: 7889-7896
  • DOI: 10.1021/ac4015325
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Biased Brownian stepping rotation of FoF1-ATP synthase driven by proton motive force (2013)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R, Tabata KV, Iino R, Ueno H, Iwamoto M, Oiki S, Noji H
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms2631
  • 査読あり
• [学会発表] Single molecule analysis of transporter protein with arrayed lipid bilayer chamber (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Pacific Chem
  • 発表場所: Hawaii Convention Center（Honolulu, Hwaii, USA)
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redesigning of F1-ATPase (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Pacific Chem
  • 発表場所: Hawaii Convention Center（Honolulu, Hwaii, USA)
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single molecule biophysics of ATP synthase and digitalization revolution of bioassay (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: POSTECH seminar
  • 発表場所: Pohang University of Science and Technology, Pohang-si, Korea
  • 年月日: 2015-09-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule biophysics on ATP synthase (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: 2014 International Biophysics Congress(IUPAB2014)
  • 発表場所: Brisbane Convention & Exhibition Centre(Brisbane, Australia)
  • 年月日: 2014-08-07
  • 招待講演
• [学会発表] Arrayed Lipid Bilayer Chamber for single-molecule analysis of transporters (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: European Bioenergetics Conference(EBEC2014)
  • 発表場所: Faculdade de Ciencias(Lisbon, Portugal)
  • 年月日: 2014-07-13
  • 招待講演
• [学会発表] Single-Molecule Digital ELISA and Prospects of its Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: World Lecture Series on Micro/Nanofluidics
  • 発表場所: Keio University(Kanagawa, Japana)
  • 年月日: 2014-07-02
  • 招待講演
• [学会発表] Torque generation mechanism of F1-ATPase (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Tokyo ATPase Workshop(TAW)
  • 発表場所: The University of Tokyo (Tokyo, Japan)
  • 年月日: 2014-06-02
  • 招待講演
• [学会発表] Recent advances of Single molecule biophysics of ATP synthase (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: The 8th International Conference on Advanced Mateials and Device
  • 発表場所: Korea, Jeju, Ramada Plaza Jeju Hotel
  • 招待講演
• [学会発表] Novel single-molecule systems to monitor the rotary dynamics and proton-pumping of FoF1-ATP synthase (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: ITALY IN JAPAN 2013 WORKSHOP (Methods for the investigation of ion transport machinery in biological Membranes)
  • 発表場所: 東京都、イタリア文化会館
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule digital counting with femtoliter chamber array (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: International Symposium on Nanomedicine Molecular Science 2013
  • 発表場所: 東京都、東京大学
  • 招待講演
• [学会発表] Torque-generation mechanism of F1-ATPase (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: The 13th KIAS Conference on Protein Structure and Function
  • 発表場所: Korea、Seoul、Korea Institute for Advanced Study
  • 招待講演
• [学会発表] Single-Molecule counting of biomolecules with femtoliter dropret chamber array (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: The 17th International Conference on Solid-State Sensors
  • 発表場所: Spain, Barcelona, Barcelona International Convention Centre
  • 招待講演
• [学会発表] Single molecule biophysics of ATP synthase (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Single Molecule Workshop
  • 発表場所: Taiwan, Taipei, , National Taicung University
  • 招待講演
• [学会発表] Single-Molecule Technology (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Single-Molecule Biophysical Chemistry Workshop
  • 発表場所: Taiwan, Taipei, National Taiwan University
  • 招待講演
• [学会発表] Single-Molecule Biophysics of ATP synthase (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Single-Molecule Biophysical Chemistry Workshop
  • 発表場所: Taiwan, Taipei, National Taiwan University
  • 招待講演
• [学会発表] Femtoliter chamber array for digital ELISA and single cell analysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Noji
  • 学会等名: Workshop on Technologies for Single Cell Analysis
  • 発表場所: 東京都、Hitachi Research Institute
  • 招待講演
• [産業財産権] 高密度微小チャンバーアレイおよびその製造方法 (2013)
  • 発明者名: 野地博行, 渡邉力也, 菅裕明, 藤田大士
  • 権利者名: 野地博行, 渡邉力也, 菅裕明, 藤田大士
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2013-171493
  • 出願年月日: 2013-08-21
• [産業財産権] 検出装置及び検出方法 (2013)
  • 発明者名: 野地博行、金秀炫、飯野亮太、太田淳、徳田崇、笹川清隆、野田俊彦
  • 権利者名: 野地博行、金秀炫、飯野亮太、太田淳、徳田崇、笹川清隆、野田俊彦
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2013-08-29
  • 外国