高速AFMを基盤としたソフトクリスタルの構造物性ダイナミクス評価技術の確立

• 研究領域: ソフトクリスタル：高秩序で柔軟な応答系の学理と光機能
• 研究課題/領域番号: 18H04512
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 内橋 貴之 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30326300)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 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: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 高速原子間力顕微鏡 / 力学マッピング / ゲル微粒子 / ヘムタンパク質 / 結晶構造 / 機械特性 / ダイナミクス解析 / 超分子ファイバー / ソフトクリスタル / ナノ動態 / 構造 / ダイナミクス評価

研究実績の概要

本研究課題では、高速AFMを用いて外部刺激に応答するソフトクリスタルの表面・物性構造のダイナミクスを高時空間分解能で可視化する基盤技術を確立し、ソフトクリスタルの機能創発の分子機構を明らかにすることを目的としている。以下に今年度の成果を項目ごとに記述する。
1. 高速力学マッピング法の開発：高速AFMでイメージング中に任意の位置での定量機械特性を取得可能な”in-line-force-curve”法を開発した。この手法を用いてチューブリンが重合したタンパク質ポリマーである微小管の単一チューブリンダイマーの引き抜きによる局所構造操作に成功し、チューブリンダイマー間の結合エネルギーの定量化を行った。さらに、”in-line-force-curve”を拡張し、機械特性(弾性率・凝着力)を1フレーム3秒程度でマッピングできるシステムを開発した。
2. 高分子ゲル微粒子の昇温収縮の過程：温度制御型高速AFMと位相計測を組み合わせて、熱応答性のpNiPAmハイドロゲル微粒子の温度依存的収縮過程を観察したところ、微粒子内部に非熱応答性のナノサイズのドメインが存在することを見出した。また、この非熱応答性ドメインは沈殿重合法、あるいは体積相転移温度以下での逆相ミニエマルション重合法で重合した微粒子に存在し、体積相転移温度よりも高い温度で重合された微粒子ではナノドメイン微粒子内に均一に分布することを明らかにした。
3. 六量体ヘムタンパク質のシート構造形成過程の観察：六量体ヘムタンパク質(HTTP)のモノマーにCys残基を導入してトリペプチドFGGタグを付与し、さらに、ククルビットウリル8(CB8)をFGGタグのホストとすることで、HTTPのシート状自己組織化構造を作製することに成功した。また、シート形成過程を高速AFMでモニターし、シート構造形成の詳細を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Recent advances in bioimaging with high-speed atomic force microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Uchihashi Takayuki、Ganser Christian
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 12 号: 2 ページ: 363-369
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00670-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of oligomer and amyloid fibril formation by yeast prion Sup35 observed by high-speed atomic force microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Konno H, Watanabe-Nakayama T, Uchihashi T, Okuda M, Zhu L, Kodera N, Kikuchi Y, Ando T, Taguchi H
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 巻: 117 号: 14 ページ: 7831-7836
  • DOI: 10.1073/pnas.1916452117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of a Hexameric Hemoprotein Sheet and Direct Observation of Dynamic Processes of Its Formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Hirayama Shota、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 号: 2 ページ: 186-190
  • DOI: 10.1246/cl.190855
  • NAID: 130007795242
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rad50 zinc hook functions as a constitutive dimerization module interchangeable with SMC hinge (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatebe Hisashi、Lim Chew Theng、Konno Hiroki、Shiozaki Kazuhiro、Shinohara Akira、Uchihashi Takayuki、Furukohri Asako
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 370-370
  • DOI: 10.1038/s41467-019-14025-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermoresponsive Micellar Assembly Constructed from a Hexameric Hemoprotein Modified with Poly(N-isopropylacrylamide) toward an Artificial Light-Harvesting System (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirayama Shota、Oohora Koji、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 4 ページ: 1822-1831
  • DOI: 10.1021/jacs.9b10080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Supramolecular tholos-like architecture constituted by archaeal proteins without functional annotation. (2020)
  • 著者名/発表者名: Maho Yagi-Utsumi,Arunima Sikdar,Chihong Song,Jimin Park,Rintaro Inoue,Hiroki Watanabe,Raymond N Burton-Smith,Toshiya Kozai,Tatsuya Suzuki,Atsuji Kodama,Kentaro Ishii,Hirokazu Yagi,Tadashi Satoh,Susumu Uchiyama,Takayuki Uchihashi,Keehyoung Joo,Jooyoung Lee,Masaaki Sugiyama,Kazuyoshi Murata,Koichi Kato
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 1540-1540
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58371-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Non-Thermoresponsive Decanano‐sized Domains in Thermoresponsive Hydrogel Microspheres Revealed by Temperature‐Controlled High‐Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Nishizawa,Shusuke Matsui,Kenji Urayama,Takuma Kureha,Mitsuhiro Shibayama,Takayuki Uchihashi,Daisuke Suzuki
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International ed. 巻: 131 号: 26 ページ: 8901-8905
  • DOI: 10.1002/ange.201903483
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogel Microellipsoids that Form Robust String-like Assemblies at the Air/Water Interface (2019)
  • 著者名/発表者名: Honda Kenshiro、Sazuka Yuka、Iizuka Kojiro、Matsui Shusuke、Uchihashi Takayuki、Kureha Takuma、Shibayama Mitsuhiro、Watanabe Takumi、Suzuki Daisuke
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 印刷中 号: 22 ページ: 7294-7298
  • DOI: 10.1002/anie.201901611
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mutational and Combinatorial Control of Self-Assembling and Disassembling of Human Proteasome α Subunits (2019)
  • 著者名/発表者名: Taichiro Sekiguchi, Tadashi Satoh, Eiji Kurimoto, Chihong Song, Toshiya Kozai, Hiroki Watanabe, Kentaro Ishii, Hirokazu Yagi, Saeko Yanaka, Susumu Uchiyama, Takayuki Uchihashi, Kazuyoshi Murata and Koichi Kato
  • 雑誌名: Int. J. Mol. Sci. 巻: 20 号: 9 ページ: 2308-2308
  • DOI: 10.3390/ijms20092308
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of a quadrangular tetramer and a cage-like hexamer from three-helix bundle-linked fusion proteins (2019)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto Takaaki、Hayashi Yugo、Yoshida Keito、Watanabe Hiroki、Uchihashi Takayuki、Yonezawa Kento、Shimizu Nobutaka、Kamikubo Hironari、Hirota Shun
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 1112-1120
  • DOI: 10.1021/acssynbio.9b00019
  • NAID: 120006801961
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Protein uptake into individual hydrogel microspheres visualized by high-speed atomic force microscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shusuke Matsui,Kensuke Hosho,Haruka Minato,Takayuki Uchihashi,Daisuke Suzuki
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 号: 68 ページ: 10064-10067
  • DOI: 10.1039/c9cc05116c
  • 査読あり
• [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] 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
• [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] Microtubule self-healing and defect creation investigated by in-line force measurements during high-speed atomic force microscopy imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Ganser Christian、Uchihashi Takayuki
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 11 号: 1 ページ: 125-135
  • DOI: 10.1039/c8nr07392a
  • 査読あり
• [雑誌論文] A ring-shaped hemoprotein trimer thermodynamically controlled by the supramolecular heme-heme pocket interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Kajihara Ryota、Fujimaki Nishiki、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 号: 11 ページ: 1544-1547
  • DOI: 10.1039/c8cc09314h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular Hemoprotein Assembly with a Periodic Structure Showing Heme-Heme Exciton Coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: Oohora Koji、Fujimaki Nishiki、Kajihara Ryota、Watanabe Hiroki、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 32 ページ: 10145-10148
  • DOI: 10.1021/jacs.8b06690
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring Thermoresponsive Morphological Changes in Individual Hydrogel Microspheres (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsui Shusuke、Nishizawa Yuichiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 3 号: 9 ページ: 10836-10842
  • DOI: 10.1021/acsomega.8b01770
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct Observation and Manipulation of Supramolecular Polymerization by High-Speed Atomic Force Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Fukui Tomoya、Uchihashi Takayuki、Sasaki Norihiko、Watanabe Hiroki、Takeuchi Masayuki、Sugiyasu Kazunori
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 号: 47 ページ: 15465-15470
  • DOI: 10.1002/anie.201809165
  • 査読あり
• [学会発表] Imaging of Single-Molecule Dynamics using High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium on Imaging and Quantitative Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Real-Time Visualization of Biological Molecules at Work with High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: IEEE International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanoscale Dynamic Imaging of Biological Molecules with High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Frontier Bioorganization Forum 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Speed Atomic Force Microscopy for Direct Visualization from Single Protein to Cell Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: EsCELLS visit talks
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Defect creation in microtubules and kinesin motility studied by HS-AFM (2019)
  • 著者名/発表者名: Christian Ganser, Kimitoshi Takeda, Ryota Iino, Koichi Kato and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
  • 国際学会
• [学会発表] Real-Time Monitoring of Morphological Change of Metal Surface During Corrosion Process with High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi, Mitsuhiro Okada, Miyuki Tanaka, Toshitaka Kubo, Tetsuo Shimizu
  • 学会等名: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
  • 国際学会
• [学会発表] Kinesin transport on microtubules studied by HS-AFM (2019)
  • 著者名/発表者名: Christian Ganser and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium on Imaging and Quantitative Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of photosystem II protein complexes as observed by high-speed atomic force microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Takaya Tokano, Yuki Kato, Shogo Sugiyama, Takumi Noguchi, Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium on Imaging and Quantitative Biology
  • 国際学会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡と生体・人工分子のダイナミクス計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 第23回コロイド・界面技術者フォーラム～コロイド領域のイメージング・評価技術～
  • 招待講演
• [学会発表] ダイナミンの動的分子イメージング：in vitro 再構成系×高速 AFM (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹居孝二, 内橋貴之
  • 学会等名: ワークショップ「新しいコラボの在り方を探る～細胞生物学ｘ蛋白質科学」 第19回 日本蛋白質科学会年会, 第71回 日本細胞生物学会大会 合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 溶液中高速原子間力顕微鏡による生体・人工分子のダイナミクス解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: シンポジウム「原子間力顕微鏡技術のパラダイムシフト～原子から細胞まで階層をまたぐ構造・機能解析～」 日本顕微鏡学会 第75回学術講演会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による生細胞イメージング (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 日本学術振興会 ナノプローブテクノロジー第167委員会 第91回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamic Structural Analysis of Proteins at Work with High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 【応用物理学界 関西支部】支部セミナー「バイオフォトニクス研究の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Visualization of Single Molecule Dynamics at Work with High-Speed Atomic Force Microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 1st ITbM Frontier Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する分子ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 日本学術振興会 情報科学用有機材料第142委員会 合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] n-situ observation of self-assembling fiber formation of biological and artificial molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: ACSIN-14 & ICSPM26
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of self-assembly process of biological and artificial fibrils using high-speed atomic force microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Interhierarchical understanding of materials and life through molecular observation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Speed Atomic Force Microscopy for Visualization of Dynamic Processes in Biological and Artificial Supramolecules (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: International Scanning Probe Microscopy 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed Atomic Force Microscopy: A tool for direct visualization of single-molecule dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Minisymposium on “Advanced Atomic Force Microscopy”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Imaging and Manipulation of Biological Molecules with High-Speed Atomic Force Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: ICN-T 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Speed Atomic Force Microscopy for Visualization and Manipulation of Biological and Artificial Molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: SPMonSPM 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy for direct visualization of biological macromolecules at work (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 79th Okazaki Conference "Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Connection between AFM data and computational simulation - image processing for quantitative analysis and demands from the experimental side - (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Trends in Computational Molecular Biophysics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する生体分子のナノ動態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: NSIセミナー・アドバンス生命理学特論,
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いた溶液環境下での分子のダイナミクス計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 平成30年度実践セミナー 『光・ナノ計測実践セミナーⅢ』
  • 招待講演
• [学会発表] 原子間力顕微鏡でリアルタイム可視化する生体/人工超分子の重合ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会 領域9, 5合同シンポジウム「時間分解プローブを駆使した表面・界面科学及び結晶成長の進展と展望 」
  • 招待講演
• [図書] 自己修復材料、 自己組織化、形状記憶材料の開発と応用事例 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 総ページ数: 446
  • 出版者: （株）技術情報協会
  • ISBN: 9784861047817
• [図書] Compendium of Surface and Interface Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Surface Science Society of Japan
  • 総ページ数: 853
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811061561
• [図書] イメージングの選び方・使い方100＋ (2018)
  • 著者名/発表者名: 原田 慶恵、永井 健治
  • 総ページ数: 236
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758103756
• [備考] 名古屋大学D研ホームページ
  • URL: http://d.phys.nagoya-u.ac.jp/index.html