Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

１分子イメージング / １分子観察 / 低温顕微鏡 / 抗原抗体反応 / １分子計測(SMD) / 一分子観察 / １分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理

タンパク質は複合体をつくり生理機能を発現している。当該課題の研究目的は、その分子間相互作用を１分子観察できる光イメージング法を確立することにある。このような試みは世界的に見ても誰も成功していない。それは、分子間相互作用を研究するには、解像度1 nmで三次元全ての軸に対する空間情報を取得しなければならないからである。
このような背景から我々は、ナノメートルの分解能のクライオ蛍光顕微鏡の開発に取り組んだ。その結果、昨年、短い二本鎖DNAの両末端（長さ10 nm）を光で１分子観察することに成功した。また、分子間相互作用の観察のプラットフォームとなる非天然アミノ酸を用いた蛍光標識に成功している。

当該研究は数nm～100 nmの長さを観察するという顕微鏡における空白領域を埋めるものであり、学術的にも社会的にも大きな意義があると考えている。さらに、分子間相互作用は長い間その意義が指摘されながらも研究が難しい対象であった。よって、当該研究は将来的にとてもおおきな可能性をもっていると考えられる。今後は、この顕微鏡を応用し、細胞内や生体組織内における観察を可能にすることで、医学・薬学に貢献したいと考えている。

１分子観察 / 一分子計測(SMD) / 一分子観察 / １分子計測(SMD) / 一分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理 / １分子計測（SMD) / 物理化学 / 希土類イオン / 核スピン

我々は、結晶中にある無数のイオン一つ一つをそれぞれ1量子ビットずつに割り当てることで、量子ビットを高度に集積することを目指して、新しい系の探索と観察する光学顕微鏡の独自開発を10年にわたり続けてきた。当該研究では、Pr3+同士の三次元相対位置を決定する場合に、遷移双極子の向きにより、20~30 nmの系統誤差が生じることが分かった。そこで、三次元のすべての軸を高精度に決定することで、この系統誤差を補正する成功した。

本研究で得た二つの顕微技術は、希土類イオンの量子論理演算だけでなく、物理、化学、薬学、医学に広く使える技術である。特に、薬学医学応用にとても大きな可能性があると考えている。この技術を用いれば、細胞内部の個々の分子が分子解像度で観察できる可能性を持っている。本課題は終了したが、本研究を継続させると共に、こちらの研究も進めて行く予定である。

生体分子モーター / マイクロ・ナノマシ / ナノ加工技術 / MEMS / 生物物理 / 一分子観察 / ナノパターン / 生体分子モータ / マイクロ・ナノマシン

本研究において、高感度で生体分子の活性を検出するための新しいマイクロデバイスの開発に成功し、生体分子モーターに関する新しい重要な結果を得ることができた。
【14-15年度】膜タンパクの研究:大きさ約100ミクロン程度の微小孔に、有機溶媒中に溶かした脂質をバッファで挟むことによって製作し、この平面膜を顕微鏡下で観察する実験系を組み上げた。これをマイクロシステム中で応用するために、シリコンで微細な流路を形成し、バッファと有機溶媒を交互に流すことによって、流路内部に存在する微小貫通孔へ脂質2重層を形成することに成功した。さらに、アラメシチンと呼ばれるペプチドを直径約1ミクロン程度のリポソーム内に精製し、これを平面膜が形成された領域に注入することによって、ペプチドを膜内に導入することに成功した。融合後に電圧を膜を介して印加することによって発生する、アラメシチンを通じたチャンネル電流を計測することも成功した。
【16-17年度】分子モーターの研究:世界最小の溶液チャンバーアレイの開発に成功した。このチャンバーは体積がfL(10^<-15>L)しかないため、この中に酵素1分子を閉じ込めると、わずか数十秒で反応産物の濃度がμMとなり容易に1分子検出ができることを市販の酵素アッセイキットを用いて実証した。上述のマイクロチャンバーを用いて、回転分子モーターであるF1モーターの単分子計測を行った。このモーターは、単独でATPを加水分解して回転運動を行うが、生体内では別の回転分子モーターによって逆回転されATPを合成する。この反応効率を測定するために、F1モーターをマイクロチャンバーに閉じ込め、磁気ピンセットを用いて逆回転した。逆回転の結果合成されたATP分子は1800個程度であるが、6fLのチャンバーでは、濃度は0.5μM上昇する。そのため、磁気ピンセットから開放されたモーターは、逆回転する前より高速度で回転する。この速度上昇から合成ATP量を見積もり、ATP合成の効率をさらに明らかにした。一方、マイクロ・ナノパターンの新技術の開発を行い、以下の結果を得られた。タンパク質パターニングのため、マイクロノズルからの分子射出・ナノコンタクトプリント法による分子パターニングの実証実験を行った。これらの方法をタンパク質パターニングに応用し、パターニングされたタンパク質が活性を維持していることを顕微観察から確認した。この研究過程で、マイクロ構造へのタンパク質パターニング技術・タンパク質の生理活性の分子イメージングなどの基盤技術を開発した。この成果を踏まえ、応用研究であるプロテインチップの新しい基盤技術を確立した。

【研究分担者】
林宣宏	東京工業大学	生命理工学院	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
小川佳宏	上越教育大学	大学院学校教育研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
野地博行	大阪大学	産業科学研究所	教授	(Kakenデータベース)
竹内昌治	東京大学	生産技術研究所	助教授	(Kakenデータベース)
年吉洋	東京大学	生産技術研究所	助教授	(Kakenデータベース)