2017 Fiscal Year Annual Research Report
Demonstration of molecular machine by control of microtubule rigidity and nano-patterning
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17H03206
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
横川 隆司 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10411216)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / マイクロ・ナノデバイス / 生物物理 / 分子モーター / ナノバイオ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２０１７年度は、主に以下の3つの課題に取り組んだ。課題1として、微小管を一端固定する分子系と曲げ剛性測定のための画像処理法を確立した。ビオチンラベルした短い微小管を準備し、これをさらに伸長重合する二段階重合により、一端のみにビオチンがラベルされた微小管を準備した。これをガラス基板に固定し、他端がブラウン運動で動くよう分子系を構築した。また、共同研究者から提供頂いたアルゴリズムを元に、片持ち梁の分子系に適用できるようプログラムの改変を実施した。蛍光画像からのスケルトナイズによる座標抽出、セグメント化、フーリエ級数によるフィッティングを経て、たわみエネルギーと熱エネルギーを等置して持続長Lpを導出した。課題2として、微小管の曲げ剛性が重合速度のみに依存することを、バルク重合した微小管を用いて実証した。つまり、10 uM~100 uMの範囲のチューブリン濃度の溶液を準備し、重合条件かで一定時間経過後にサンプリングする方法で重合速度を計測した。高濃度のチューブリンでは重合速度が速すぎ、この方法では計測できなかったものの、重合速度は、チューブリン濃度によって制御することを実証した。重合速度が速い場合については、２０１８年度以降にリアルタイムで計測する方法を検討している。課題3として、微小管の曲げ剛性の長さ依存性を評価した。曲げ剛性の長さ依存性はこれまでに多くの報告があるものの、その有無については結論が出ていない。課題1で確立した一端固定の微小管の曲げ剛性測定方法により、長さ10-20 umの微小管について依存性がないことを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
年度途中に全反射顕微鏡観察の専門知識を有する研究協力者が急遽私企業に就職することが判明し、計測実験に参画できないことが判明した。このため、他の研究者や学生に指導することで実験を進めたが、他のプログラム開発などは順調に進んだため全体としては大きな遅れなく進められている。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１８年度以降、全反射蛍光顕微鏡を用いて、微小管重合速度をリアルタイム計測する。これにより、低濃度チューブリン使用時の比較的重合速度が低い場合のバルク計測に加え、高濃度チューブリン使用時の重合速度が高い場合のリアルタイム計測を可能にする。これにより、２０１７年度に計測した微小管の曲げ剛性との関連をさらに調べる。また、微小管の曲げ剛性が重合速度以外のどのような要素によって影響を受けるかを評価する。ここまでの研究により、微小管の電気・機械的特性を制御することによる“分子シャトル”の制御論を確立する予定である。さらに、金ナノピラーを用いてキネシン分子の間隔を定義する技術を確立することで、分子数や間隔が定義された際の運動方向を調べる。
“分子シャトル”設計論の体系化を経て、分子シャトルの構成要素がその運動に及ぼす様々な指標を評価することで、微小管曲げ剛性の生物学的な意義との関連を明らかにする。微小管の曲げ剛性が微小管結合タンパク質の影響によりどのように変化するか、あるいは、キネシン分子の間隔を定義した基板を用いて、物性の異なる微小管の運動速度や曲率半径を評価する。これにより、微小管の曲げ剛性や分子間隔の違いがもたらす運動様式を明らかにする。
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