【研究分野】ナノマイクロシステム

【研究領域課題番号】16H05971 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

デジタルマイクロフルイディクス / マイクロ液滴技術 / ラチェット / マイクロ流体技術 / 分子・細胞解析技術 / マイクロ・ナノ加工技術 / ナノ・マイクロシステム / バイオテクノロジー / ナノ・マイクロ加工技術 / マイクロ・ナノデバイス / 一分子計測 / マイクロ・ナノ工学 / 生物物理

【研究成果の概要】

高感度・並列集積化バイオアッセイの実現に向け、まずデジタルマイクロ流体技術とマイクロチャンバーアレイを融合したデバイス構造を設計・作製し、機能を検証し、さらに溶液の入れ替えを行うことにより繰り返しデジタル計数法を検証した。また流路壁形状を非対称にすることにより、新規ラチェット機構による液滴の整流機構を実現した。さらに電極形状を工夫することにより、流路壁の表面や形状のばらつきに伴う影響を無くし、よりロバストで汎用的な、ラチェット機構に基づいた並列な液的輸送機構を開発した。

【研究の社会的意義】

本研究では、まずデジタルマイクロ流体技術とマイクロチャンバーアレイを融合する事で、デジタル計数法における計測可能なリアクター数を原理的に向上した。高感度な分子検出や、進化分子工学的への応用が期待される。一方、従来のデジタルマイクロ流体技術においては電極の配置が液滴の密度や個数などを規定してしまっていたが、本研究では新規ラチェット機構を提案・開発することにより、ロバストかつ汎用的な形で並列な液的輸送機構を実現した。これにより、デジタルマイクロ流体デバイスでも大量の液滴を同時に扱う事ができるようになり、従来マイクロ流体デバイスよりもコンパクトで扱いやすい自動アッセイ装置などへの応用が期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】16H04773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子モーター / 1分子 / 少数分子 / キネシン / ミオシン / ステップ / 理論 / 細胞 / ダイニン / 運動 / 1分子計測 / モータータンパク質 / メカニズム / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内の物質輸送や細胞分裂を担うモータータンパク質であるキネシン、ミオシンV、ダイニンは一定の歩幅で長距離を解離することなく、前進運動や後退運動を行う。これら三種類のモータータンパク質の１分子の運動特性を統一的に記述するために運動を単純化して、2つの状態を遷移する数理モデルを提案し、このモデルによって本研究や過去の実験結果をうまく説明することができた。
また、筋肉由来のミオシン多分子による力発生を測定した結果、協同的に力発生を行うことが、実験的にもシミュレーションによっても明らかとなった。このような協同的な運動が単離幼若心筋の周期的収縮と関連していることが示唆された。

【研究の社会的意義】

これまでの生命科学は、多様性や複雑性に関する研究が多い一方で、物理学が得意とするような統一性や普遍性の研究が少なく、これらの分野の今後の発展が望まれている。その意味で、今回の運動を簡単な数式で統一的に説明した研究は、輸送タンパク質にとどまらず、ATPを利用する多くのタンパク質の運動を説明できる可能性を秘めており、学術的意義が大きい。また、心筋細胞の振動現象のメカニズム解明は、心臓の運動を記述する際重要である。従って、今後心臓や心臓疾患を理解するための基礎となり、学術的にも社会的にも意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】16H04094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】15H03765 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】連携探索型数理科学

【研究領域課題番号】26310204 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非平衡統計力学 / 分子モーター / 医療 / 生物物理 / １分子計測 / 揺らぎの定理

【研究成果の概要】

分子モーターキネシンやダイニンによるオルガネラ輸送は医療や美容と関連が深い。例えばアルツハイマー病などの神経疾患では軸索輸送障害が問題となるし日焼けの原因となるメラニン色素の顆粒輸送もキネシンやダイニンが担う。非平衡統計力学は輸送を扱う学問であるが、非平衡統計力学の恒等式をこのような輸送に応用した。これらの輸送は非平衡確率過程とみなせるからである。具体的にはシナプス小胞前駆体輸送とメラニン色素顆粒輸送を調べた。前者では恒等式の利用でシナプス形成位置に異常がでる変異体において物理的要因を突き止めた。後者ではダイニン阻害剤シリオブレビンの効果を輸送に関連する力や分子モーターの数から評価した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-07-18 - 2018-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】24227005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査プローブ顕微鏡 / 1分子計測・操作 / バイオイメージング / タンパク質 / 細胞 / ダイナミクス / AFM / 走査型イオン伝導顕微鏡 / 構造生物 / １分子計測・操作 / 1分子計測 / 生物物理 / ナノバイオ / 生体分子 / 原子間力顕微鏡 / 高速AFM / イメージング / 細胞内オルガネラ / 機能動態

【研究成果の概要】

三つの課題に取り組んだ。課題1では、既に確立した高速AFMを利用して多様な蛋白質系で起こる動的プロセスを観察し、機能メカニズムに迫るとともに、従来技術では困難な天然変性蛋白質の構造解析が高速AFMで可能であることを実証した。課題2では、振動を起こさずに広域を高速走査する技術やイメージング中に試料を操作可能なインターラクティブ高速AFMを開発し、その有効性を実証した。また、カンチレバー走査方式の高速AFMと蛍光顕微鏡との複合機を開発し、蛍光像と高速AFM像の同時取得を実現した。課題3では、非接触観察可能な走査型イオン伝導顕微鏡の高速化に向け要素技術を開発し、約100倍の高速化に成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2012-05-31 - 2017-03-31

【配分額】215,540千円 (直接経費: 165,800千円、間接経費: 49,740千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】22227005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体分子モーター / １分子生物学 / 化学力学フィードバック / 筋収縮自励振動 / SPOC / 細胞分裂 / 人工細胞 / 細胞熱力学 / 筋収縮系自励振動(SPOC) / 細胞分裂機構 / 生物運動制御 / 人工細胞系 / 筋収縮系自励振動 / 筋収縮系自励振動（SPOC） / 1分子計測・操作 / 運動・輸送 / バイオイメージング / 細胞骨格・運動 / 細胞構造・機能 / 生物運動系階層構造・機能 / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究の第一の目標は、輸送・振動・分裂などの生物要素運動に必要な分子モーターや細胞骨格動態などが生み出す力が、要素運動の制御にフィードバックするという化学力学フィードバックループ（CMFループ）の存在を明らかにすることであった。その点、筋収縮自励振動（SPOC）現象における「ミオシンクロスブリッジ（CB）による力発生、筋フィラメントの滑り運動、フィラメント格子間隔の変化、CB形成確率の変化」というループの存在が強く示唆されたこと、外力パルス依存的に染色体分配のタイミングが調節されること、細胞質分裂に必要な収縮環の形成を人工細胞系で実現するなど、CMF ループの具体例を示すことができた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2010-04-01 - 2016-03-31

【配分額】217,750千円 (直接経費: 167,500千円、間接経費: 50,250千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】21370065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

1分子計測 / ナノバイオ / 分子機械 / 生物物理 / 分子計測 / 光ピンセット

【研究成果の概要】

1分子のリボソームとmRNAからなる翻訳の初期過程にある複合体の破断力を光ピンセットにより測定した。その結果、IF2は最終的に形成される70S翻訳開始複合体を安定化することで、効率的な翻訳開始に寄与していることが明らかになった。次に、シャペロニン反応サイクルを解析した。GroELは2つのリングを交互に利用しながら反応サイクルを進行させていると考えられていた。しかし、高濃度の変性タンパク質が存在する場合、GroELの両側のリングにGroESが2個同時に結合した複合体が形成されることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】20740238 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理 / ミオシン / 1分子計測 / 筋肉 / スティフネス / 骨格筋ミオシン / ナノバイオ

【研究成果の概要】

生体内環境に近い多分子が共存するフィラメント上における、骨格筋ミオシン1分子の力学特性を捉える事を試みた。ミオシン1分子のスティフネスを計測し、ミオシンの硬さには異方性があることを示した。力を出す方向に引っ張ると硬くなって力を出し易く、反対方向に押すと紐のように柔らかくなり、反発力を軽減する機構があることがわかった。この計測から、筋肉の中で力を出し終えたミオシンが、他の分子の力発生の妨げになることを回避するための巧みな1分子力学特性があることが判明した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】17201031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

1分子計測 / 生物物理 / ナノバイオ / マイクロ・ナノデバイス / μTAS / セルソーター

【研究成果の概要】

微小流路をチップ上に作製し、蛍光標識した生体試料を蛍光顕微鏡にて高感度に検出し、温度感受性ハイドロゲルをレーザー局所加熱にて制御し、生体試料溶液を高精度に流し分ける技術の開発を行った。その結果、1個の量子ドットに結合した生体分子を高感度に検出し、3msの時間分解能で分離することに成功した。また、石英ガラス基板に金属薄膜を約100nm蒸着し、これに100nmの開口を開けてエバネッセント場を発生させた。このナノ開口を用いてシャペロニンGroELとGroESの結合と解離を観察した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】49,790千円 (直接経費: 38,300千円、間接経費: 11,490千円)