2019 Fiscal Year Annual Research Report
Project/Area Number |
18J40041
|
Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
Principal Investigator |
古田 茜 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所 フロンティア創造総合研究室, 特別研究員(RPD)
|
Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
|
Keywords | 鞭毛・繊毛運動 / 軸糸ダイニン / DNAナノ構造体 |
Outline of Annual Research Achievements |
筋肉・鞭毛運動など、生物の発生する力や運動は生物分子モーターという素子の集まりによって引き起こされている。過去の研究から、一分子の生物分子モーターではブラウン運動様の弱い運動しか起こせず、これらが集まって多分子化することで初めて機能を発揮できることが分かってきたが、この一分子と多分子の関係は自明ではなく、状況証拠から仮説として検討されているメカニズムは、各々の素子がお互いの発生する負荷によってその機能に変調が掛かるように設計されているというものである。本研究では,この制御メカニズムを明らかにするために、既に性質が良く分かっている最小限の生物材料を使って実際に鞭毛のような「機械」を作ることで、各々の素子がどのような特性を持つときにどのような創発が可能であるかという対応関係を調べ、部分と全体の関係を帰納的に理解することを目的としている。具体的には、DNAナノ構造体をテンプレートとした高精度タンパク質配置技術を利用して、実際の鞭毛軸糸内のように、分子モーター、ダイニンを一定間隔で配置し、鞭毛を真似たミクロン以下のサイズのアクチュエータを試作する。このアクチュエータ―が発生する駆動力を、素子の種類や間隔を変えて光ピンセットと呼ばれる装置で計測することで、鞭毛による自律振動の発生・制御メカニズムの本質に迫りたいと考えている。H30-R1年度にかけて、鞭毛運動の駆動素子である生物分子モーター「ダイニン」をDNA上に整列させるため、特異的な結合タグ付きのダイニンの組み換え体を作製した。R1年度は、実際にタグを介してDNA上に配置したダイニンによって、微小管運動が駆動される様子を観察することに成功した。
|
Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
複数分子のダイニンを、その数や配置を知った上で精密に計測するために、本研究ではDNAナノ構造体と呼ばれる、DNA同士の特異的な結合によって自己組織的につくられる構造体を利用して、ダイニンを自在に配置する方法を利用する。このときダイニン側にはDNA上に配置するためのタグを導入する必要がある。ダイニンには大きく分けて細胞質ダイニンと軸糸ダイニンの2種類があるが、鞭毛・繊毛を駆動している軸糸ダイニンの組み換え体については、現時点で運動観察に必要な量を安定に発現することに成功しているグループは無い。細胞質ダイニンと軸糸ダイニンとの違いや、その違いが鞭毛・繊毛運動にどう影響を与えているかはほとんど明らかになっていないため、私は数年前から様々な方法で組み換え体の軸糸ダイニンを得る努力を行っている。その中で、鞭毛運動のモデル生物であるクラミドモナスを対象に変異体と、遺伝子導入法を用いて、組み換え体を発現させる方法に着目し、この方法でDNA結合タグや、精製タグを軸糸ダイニンに導入することに成功した。R1年度は、DNAナノ構造体と結合させるために必要な高濃度のダイニンを精製する方法の開発に取り組み、クラミドモナス株の培養法や鞭毛軸糸精製法、軸糸からのダイニン抽出法の開発を行った結果、実験に必要な濃度の軸糸ダイニンを得ることができた。さらに、こうして得られた多数の軸糸ダイニンを、実際にDNA上に配置させたることに成功し、この構造体が、微小管上を運動するようすを観察することができた。
|
Strategy for Future Research Activity |
R1年度で、軸糸ダイニンに遺伝子的に標識タグを導入し、実際にDNAナノ構造体上に並べた多数のダイニンによって微小管が駆動される様子を観察することができるようになったが、当初の予測とは異なり非常に低い運動速度を示す結果となった。この原因として、実際の軸糸構造に組み込まれている時のダイニンと、人口的にDNAナノ構造体上に並べたダイニンの電子顕微鏡像を比較したところ、単に並ぶだけではなく、向きもそろっていることが重要なのではないか、という点に気づいた。DNA上に並ぶダイニンは、モータードメインはランダムな方向を向いて配置している。そこで、今後は、ダイニンにタグを2ヵ所導入して、二点でDNA上に固定することにより、「向きを揃えて」配置させたときの効果を調べていく。また、光ピンセットを用いて、整列したダイニン小集団の運動特性を測定することも予定している。ダイニンの分子の数、間隔を変えた試料を作製し、ダイニンが引き起こす微小管滑り運動の速度、発生する力、ダイニンの運動方向と、その反対方向に負荷を掛けた場合での微小管からの解離のしやすさの違いを定量する。得られたデータを、理論モデルが要請するダイニンの性質に照らしてモデルを再構築し、ダイニンの力学応答と振動運動との関係を理解する。
|
Research Products
(4 results)