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2017 年度 実績報告書

擬似細胞チップによる膜タンパク質の動的構造機能計測技術の開発

公募研究

研究領域動的構造生命科学を拓く新発想測定技術-タンパク質が動作する姿を活写する-
研究課題/領域番号 17H05871
研究機関東京大学

研究代表者

渡邉 力也  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (30540108)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
キーワード1分子生物物理 / bioMEMS
研究実績の概要

細胞の中には、タンパク質でできた多様な分子モーターが存在し、それらの“構造変化”により、エネルギー合成、物質輸送および細胞分裂などの生理的に重要な機能が実現している。これまで、分子モーターの“構造”と“機能”を理解するため、光学顕微鏡を用いたin vitro 1分子計測技術が開発され、化学・力学特性などの基本的な性質が明らかにされてきた。現在、in vitro 1分子計測技術は生きた細胞へ展開され、生理条件下での分子モーターの理解を促進している。しかし、従来の細胞内1分子計測は技術的な障壁が高く、特に、膜タンパク質で構成される分子モーター(膜分子モーター)への展開は非常に困難であった。すなわち、膜分子モーターの生理条件下での構造変化および機能に関しては未解明な部分が多く、構造と機能の相関解析に基づいた作動機構の解明は学術的意義が高いといえる。本研究では、自主開発した「生体膜マイクロチップに細胞を融合させた「擬似細胞チップ」を新規開発し、生理条件下でのFoF1のプロトン輸送と回転運動の1分子同時計測技術の確立を目指す。そして、FoF1の構造変化と機能の相関関係を解析から、生理条件下での作動機構の解明を目指す。

本年度の成果としては以下の2点があげられる。
1, 生体膜チップを利用した膜分子モーター(FoF1)の構造変化(回転運動)と機能(プロトン輸送)の相関計測を実現した。具体的には、従来機能解析に利用してきた生体膜チップ上に、FoF1の回転運動を可視化するための機構を実装した。

2, 細胞膜断片の融合による擬似細胞膜チップの開発に成功した。具体的には、大腸菌および牛心筋のミトコンドリア由来の反転膜小胞を生体膜チップへ融合させ、反転膜小胞上に存在する膜分子モーターのプロトン輸送活性を計測することができた。

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

昨年度の目標であった、擬似細胞チップの開発および膜分子モーターの構造変化と機能の同時計測の実現において見通しがついた。当該技術を機軸として来年度の研究を円滑にすすめることができると考えている。

今後の研究の推進方策

生理条件下では、膜分子モーター(FoF1)は他のタンパク質と共にエネルギー代謝に必須な呼吸鎖を形成する。疑似細胞チップでは、FoF1だけでなく、他の呼吸鎖タンパク質も丸ごと再構成される。来年度は、呼吸鎖を構成するFoF1以外の膜タンパク質(例えば、Complex I)に外部から薬剤などで刺激を与えたときのFoF1のプロトン輸送および回転運動を解析し、呼吸鎖を形成する生理条件下でのFoF1の運動・機能における制御機構の解明を目指す

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Essential Role of the ε Subunit for Reversible Chemo-Mechanical Coupling in F1-ATPase2018

    • 著者名/発表者名
      Rikiya Watanabe, Makoto Genda, Yasuyuki Kato-Yamada, Hiroyuki Noji
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 114 ページ: 178-187

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2017.11.004.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of non-equilibrium angle fluctuation on F1-ATPase kinetics induced by temperature increase.2018

    • 著者名/発表者名
      Yuji Tamiya, Rikiya Watanabe, Hiroyuki Noji, Chun Biu Li, Tamiki Komatsuzaki
    • 雑誌名

      Phys Chem Chem Phys

      巻: 20 ページ: 1872-1880

    • DOI

      10.1039/c7cp06256g.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single-Molecule Analysis of Membrane Transporter Activity by Means of a Microsystem2018

    • 著者名/発表者名
      Rikiya Watanabe, Naoki Soga, Shinya Ohdate, Hiroyuki Noji
    • 雑誌名

      Methods Mol Biol

      巻: 1700 ページ: 321-330

    • DOI

      10.1007/978-1-4939-7454-2_17.

    • 査読あり
  • [学会発表] Artificial cell-membrane microsystems for highly sensitive analysis of membrane proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Rikiya Watanabe
    • 学会等名
      PITTCON 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 生体膜マイクロチップを利用した膜タンパク質の機能可視化2018

    • 著者名/発表者名
      渡邉力也
    • 学会等名
      日本細菌学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Single molecule analysis of membrane transport proteins using artificial cell-membrane microsystems2017

    • 著者名/発表者名
      渡邉力也
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体膜チップを利用した 膜タンパク質の1分子活性計測2017

    • 著者名/発表者名
      渡邉力也
    • 学会等名
      Conbio 2017
    • 招待講演

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公開日: 2018-12-17  

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