高速原子間力顕微鏡で明らかにする微小管の構造欠陥によるキネシンの機能変調

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01837
• 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 – 2021-03-31
• キーワード: 高速原子間力顕微鏡 / 力学特性マッピング / キネシン / 微小管

研究実績の概要

I. 高速力学特性マッピング法の開発
”in-line-force-curve”を拡張し、高速AFMによる表面構造イメージング中と同時にタンパク質の弾性率と凝着力のナノスケール分布をマッピングできる高速フォースボリュームモードを開発した。これにより、高速力マッピング法を開発し、1フレーム(30 × 30 pixels)あたり3秒以下で表面硬さや接着力、散逸力等の機械特性分布をマッピングできるようになった。また、機械特性を定量解析するためのソフトウェアも開発し、適切な接触力学モデルを採用したング率、凝着力や散逸エネルギーの定量評価が可能になった。これを用いて、微小管の機械特性分布を定量評価し、AFM探針により微小管に局所欠陥を生成したとき、欠陥周囲の弾性率が低下していることが明らかになった。また、この手法を生細胞にも応用し、蛍光標識されたCOS7細胞をTIRF顕微鏡で観察しながらAFM探針を細胞表面にアプローチして、細胞表面の微細構造を可視化しながら、細胞表面の機械特性分布をイメージングすることにも成功した。
II.　チューブリンダイマー欠陥周辺におけるキネシンの滑走運動計測
前年度までに高速AFM探針で単一欠陥を形成し、キネシンの滑走を観察したところ、多くの場合欠陥部位で運動を停止し微小管から解離することを明らかにした。その際に、キネシンが解離する位置は欠陥近傍より少し離れた位置で解離する事が多かったことから、欠陥周辺の微小管機械特性の変化がキネシンとの親和性を変調している可能性が示唆された。現在、上述の高速力学マッピング法を利用して、キネシンの解離位置と欠陥周辺の微小管の機械特性分布との相関を調査している。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2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] Non-close-packed arrangement of soft elastomer microspheres on solid substrates (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuma Sasaki, Seina Hiroshige, Masaya Takizawa, Yuichiro Nishizawa, Takayuki Uchihashi, Haruka Minato and Daisuke Suzuki
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 ページ: 14562-14567
  • DOI: 10.1039/D1RA02688G
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanostructure and thermoresponsiveness of poly(N-isopropyl methacrylamide)-based hydrogel microspheres prepared via aqueous free radical precipitation polymerization (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Nishizawa, Haruka Minato, Takumi Inui, Ikuma Saito, Takuma Kureha, Mitsuhiro Shibayama, Takayuki Uchihashi and Daisuke Suzuki
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 ページ: 13130-13137
  • DOI: 10.1039/D1RA01650D
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic Assembly/Disassembly of Staphylococcus aureus FtsZ Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Junso Fujita, Shogo Sugiyama, Haruna Terakado, Maho Miyazaki, Mayuki Ozawa, Nanami Ueda, Natsuko Kuroda, Shun-ichi Tanaka, Takuya Yoshizawa, Takayuki Uchihashi and Hiroyoshi Matsumura
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 ページ: 1697
  • DOI: 10.3390/ijms22041697
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-molecule level dynamic observation of disassembly of the apo-ferritin cage in solution (2020)
  • 著者名/発表者名: Basudev Maity, Zhipeng Li, Kento Niwase, Christian Ganser, Tadaomi Furuta, Takayuki Uchihashi, Diannan Lu, Takafumi Ueno
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 ページ: 18562-18572
  • DOI: 10.1039/D0CP02069A
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nanostructures, Thermoresponsiveness, and Assembly Mechanism of Hydrogel Microspheres during Aqueous Free-Radical Precipitation Polymerization (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Nishizawa, Haruka Minato, Takumi Inui, Takayuki Uchihashi*, Daisuke Suzuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 37 ページ: 151-159
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02654
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel Babesia bovis exported proteins that modify properties of infected red blood cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Hakimi Hassan、Templeton Thomas J.、Sakaguchi Miako、Yamagishi Junya、Miyazaki Shinya、Yahata Kazuhide、Uchihashi Takayuki、Kawazu Shin-ichiro、Kaneko Osamu、Asada Masahito
  • 雑誌名: PLOS Pathogens 巻: 16 ページ: e1008917
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1008917
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural insights into the mechanism of rhodopsin phosphodiesterase (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Ikuta, Wataru Shihoya, Masahiro Sugiura, Kazuho Yoshida, Masahito Watari, Takaya Tokano, Keitaro Yamashita, Kota Katayama, Satoshi P. Tsunoda, Takayuki Uchihashi, Hideki Kandori and Osamu Nureki
  • 雑誌名: Nature Communications_ 巻: 11 ページ: 5605
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19376-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Convergent evolution of processivity in bacterial and fungal cellulases (2020)
  • 著者名/発表者名: Taku Uchiyama, Takayuki Uchihashi#, Akihiko Nakamurad, Hiroki Watanabec, Satoshi Kanekoe, Masahiro Samejimaa, and Kiyohiko Igarashi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 117 ページ: 19896-19903
  • DOI: 10.1073/pnas.2011366117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct visualization of the conformational change of FUS/TLS upon binding to promoter-associated non-coding RNA (2020)
  • 著者名/発表者名: Nesreen Hamad, Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Riki Kurokawa, Takashi Nagata, and Masato Katahira
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 ページ: 9134-9137
  • DOI: 10.1039/D0CC03776A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Dynamics of a Protein Domain Relevant to the Water-Oxidizing Complex in Photosystem II as Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaya Tokano, Yuki Kato, Shogo Sugiyama, Takayuki Uchihashi, and Takumi Noguchi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 ページ: 5847-5857
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c03892
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assembly mechanism of a supramolecular MS-ring complex to initiate bacterial flagellar biogenesis in Vibrio species (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Terashima, Keiichi Hirano, Yuna Inoue, Takaya Tokano, Akihiro Kawamoto, Takayuki Kato, Erika Yamaguchi, Keiichi Namba, Takayuki Uchihashi, Seiji Kojima and Michio Homma
  • 雑誌名: Journal of Bacteriology 巻: 202 ページ: e00236-20
  • DOI: 10.1128/JB.00236-20
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoresponsive structural changes of single poly(N-isopropyl acrylamide) hydrogel microspheres under densely packed conditions on a solid substrate (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruka Minato, Yuichiro Nishizawa, Takayuki Uchihashi and Disuke Suzuki
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 52 ページ: 1137-1141
  • DOI: 10.1038/s41428-020-0372-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic behavior of an artificial protein needle contacting a membrane observed by high-speed atomic force microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Ueno, Kento Niwase, Daisho Tsubokawa, Kosuke Kikuchi, Natsumi Takai, Tadaomi Furuta, Ryuji Kawano, Takayuki Uchihashi
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 12 ページ: 8166-8173
  • DOI: 10.1039/D0NR01121E
  • 査読あり
• [学会発表] 高速AFMによる酸素発生光化学系II のドメイン構造揺らぎの可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: ブルカージャパン オンラインシンポジウム ～単一生体分子の動的プロセス評価に向けた高速AFM技術～
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡でタンパク質の一分子動態を可視化する (2020)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 新学術領域合同シンポジウム－ソフトロボット学と発動分子科学の境界
  • 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・人工分子のダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 岡山大学大学院医歯薬学総合研究科(薬学系) 先端薬学特論 公開セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] HS-AFM as a versatile tool to study dynamical and mechanical properties of proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: Christian Ganser, Kimitoshi Takeda, Ryota Iino, Koichi Kato and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会: Symposium "The Multiple Modes of Proteins ? From Molecular Dynamics to Pathogenesis -
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速原子間顕微鏡による膜輸送装置Secの動態観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長池航, 板家成良, 春山隆充, 塚崎智也, 内橋貴之
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いた光化学系IIの動態観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸叶貴也, 加藤祐樹, 杉山翔吾, 野口巧, 内橋貴之
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] Observation of Substrate Binding Sec Translocon and Structural Change of SecA with HS-AFM (2020)
  • 著者名/発表者名: Wataru Nagaike, Takamitsu Haruyama, Tomoya Tsukazaki and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 溶液中HS-AFM observation of Amyloid β elongation and inhibition by antibodies (2020)
  • 著者名/発表者名: Shogo Miyajima, Maho Yagi-Utsumi, Takayuki Uchihashi and Koichi Kato
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Chasing the transformation between monomer and dimer structure of cadherin anchored to supported lipid bilayer by high-speed AFM (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigetaka Nishiguchi, Hiroki Oda and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [図書] 膜タンパク質工学ハンドブック:第1編 第2章15「高速原子間力顕微鏡によるタンパク質の構造ダイナミクス解析」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 総ページ数: 624
  • 出版者: 株式会社 エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 978-4-86043-537-0
• [備考] 名古屋大学D研ホームページ
  • URL: http://d.phys.nagoya-u.ac.jp/