極めて柔らかい膜環境にあるタンパク質分子のナノ動態イメージングの実現

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06121
• 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): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: バイオイメージング / 高速AFM / 走査型イオン伝導顕微鏡 / 膜タンパク質

研究実績の概要

本研究では、極めて柔らかく脆弱であるために現在の高速AFMでは観察が難しいタンパク質系（例えば、極めて柔らかい膜環境にあるタンパク質分子、天然変性タンパク質IDP）や細胞表面などの観察を可能にするための技術開発とその実証研究を進めてきた。最終となる本年度では以下の内容を実施し、当初の目標をほぼ達成した。
1)高速AFMの更なる低侵襲化を実現し、それにより更なる高速化も実現した。開発した新走査法（OTIモード：往き走査でのみ画像を取得）により低侵襲性能が向上し、従来比で約2.5倍の高速化を達成した。更に、フィードバック制御に工夫を加えた結果、従来比で約4-5倍の高速化（毎秒約50フレーム）を達成した。この新技術を用いて従来の速度でイメージングした場合、脆弱な試料系でも構造・機能を乱さずにイメージングできる。
2)ガラスピペット先端を流れるイオン電流の計測に基づく走査型イオン伝導顕微鏡（SICM）に代わる拡散電位計測に基づく新規プローブ顕微鏡（SNPM）の開発に成功した。ガラスピペットの開口直径が4 nm前後にまでなると、イオン電流の減少とノイズの増加により、高解像性能と高速性能の更なる両立は難しくなってきた。そこで開口径に依存しない拡散電位の利用を検討した。その結果、4 nm前後の開口径であっても、極めてS/N比の高い拡散電位計測ができ、その結果、高解像性能と高速性能が同時に達成できた。
3)装置性能の実証研究を進め、脆弱なバイオ試料系の観察に成功した。完成したばかりのSNPMについては本格的なバイオ応用には至っていないが、高解像化した高速SICMを利用して悪性度の異なるがん細胞表面の形状動態と柔らかさマップを得ることに成功した。OTIモードを広く利用し、膜タンパク質MsbA、種々のIDP、長いコイルドコイルであるEEA1、デルーフ細胞などの非侵襲高速イメージングに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Moleculaire Biofysica, Zernike Instituut/Groningen Biomol. Sci. Biotechnol. Inst.(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Moleculaire Biofysica, Zernike Instituut/Groningen Biomol. Sci. Biotechnol. Inst.
• [国際共同研究] The University of Michigan/University of Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: The University of Michigan/University of Florida
• [国際共同研究] Technische University of Munchen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Technische University of Munchen
• [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
  • 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 ページ: 013701
  • DOI: 10.1063/5.0072722
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-speed atomic force microscopy reveals a three-state elevator mechanism in the citrate transporter CitS. (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Maitya, G. Trincob, P. Buzon, Z. R. Anshari, N. Kodera , K. X. Ngo , T. Ando , D. J. Slotboom , W. H. Roos
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 巻: 119 ページ: e2113927119
  • DOI: 10.1073/pnas.2113927119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Conformational tuning of amylin by charged styrene-maleic-acid copolymers. (2022)
  • 著者名/発表者名: B. R. Sahoo, C. L. Souders, T. W. Nakayama, Z. Deng, H. Linton, S. Suladze, M. I. Ivanova, B. Reif, T. Ando, C. Martyniuk, A. Ramamoorthy
  • 雑誌名: J. Mol. Biol. 巻: 434 ページ: 167385
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2021.167385
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recent advances in the glass pipet: from fundament to applications. (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhou, L. Sun, S. Watanabe, T. Ando
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 94 ページ: 324-335
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c04462
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nano-scale physical properties characteristic to intestinal cancer cells identified by high speed-scanning ion conductance microscope (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Wang, L. Sun, S. Okuda, D. Yamamoto, M. Nakayama, H. Oshima, H. Saito, Y. Kouyama, K. Mimori, T. Ando, S. Watanabe, M. Oshima
  • 雑誌名: Biomaterials 巻: 280 ページ: 121256
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.121256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Millisecond dynamic of SARS-CoV-2 spike and its interaction with small extracellular vesicle (sEV)-based decoy. (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Lim, G. Nishide, T. Yoshida, T. Watanabe-Nakayama, A. Kobayashi, M. Hazawa, R. Hanayama, T. Ando, R. W. Wong
  • 雑誌名: J. Extracell. Vesicles 巻: 10 ページ: e12170
  • DOI: 10.1002/jev2.12170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Architecture of zero-latency ultrafast amplitude detector for high-speed atomic force microscopy. (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, C. Okamoto, M. Shimizu, S. Watanabe, T. Ando, N. Kodera
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 119 ページ: 181602
  • DOI: 10.1063/5.0067224
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chained structure of dimeric F1-like ATPase in Mycoplasma mobile gliding machinery. (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Toyonaga, T. Kato, A. Kawamoto, N. Kodera, T. Hamaguchi, YO. Tahara, T. Ando, K. Namba, M. Miyata
  • 雑誌名: mBio 巻: 12 ページ: e01414-21
  • DOI: 10.1128/mBio.01414-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biophysical reviews top five: atomic force microscopy in biophysics. (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ando
  • 雑誌名: Biophys. Rev. 巻: 13 ページ: 455-458
  • DOI: 10.1007/s12551-021-00820-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Movements of Mycoplasma mobile gliding machinery detected by high-speed atomic force microscopy. (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, N. Kodera, T. Kasai, YO. Tahara, T. Toyonaga, M. Mizutani, I. Fujiwara, T. Ando, M. Miyata
  • 雑誌名: mBio 巻: 12 ページ: e0004021
  • DOI: 10.1128/mBio.00040-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An ultra-wide scanner for large-area high-speed atomic force microscopy with megapixel resolution. (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Marchesi, K. Umeda, T. Komekawa, T. Matsubara, H. Flechsig, T. Ando, S. Watanabe, N. Kodera, C. M. Franz
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 11 ページ: 13003
  • DOI: 10.1038/s41598-021-92365-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 高速AFMが拓く新生命科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安藤敏夫
  • 学会等名: 第25回アディポサンエンスシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 高速AFM技術バイオ応用研究の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安藤敏夫
  • 学会等名: 第2回高速AFMオンラインシンポジウム
  • 招待講演
• [図書] High-speed Atomic Force Microscopy in Biology (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Ando
  • 総ページ数: 319
  • 出版者: Springer Berlin Heidelberg
  • ISBN: 978-3-662-64783-7
• [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
• [備考] Welcome to Kanazawa Biophysics Goup
  • URL: http://biophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/index.htm
• [備考] 高速原子間力顕微鏡の世界初の「教科書」完成！
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/category/announcements/news/
• [備考] 世界初！マイコプラズマの滑走運動における分子モーター の動きを - - -
  • URL: https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/post-16986/
• [産業財産権] 液体充填方法、ＳＩＣＭ用プローブの製造方法、ＳＩＣＭ用プローブ及び ＳＩＣＭ (2021)
  • 発明者名: Sun Linhao, 執行航希, 渡辺信嗣, 安藤敏夫
  • 権利者名: 金沢大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 6950954号