【研究領域課題番号】18K19285 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理学 / ナノバイオ / 細胞・組織 / 生体分子 / 分析科学 / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内には局所温度の分布がある。しかし、現状では、温度計測の空間分解能は光の回折限界の～500 nmに留まっている。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光（アンチストークス光とストークス光）を測定することにより、生体分子の温度を計測することを目指した。低周波顕微ラマン分光システムの性能を確かめるため、Acetonitrileを顕微ラマン分光した。Stokes/Anti-stokes 比の温度依存性を利用して、約１℃の分解能で温度測定することが可能になった。

【研究の社会的意義】

細胞が機能を発揮する上で、温度は重要な物理的パラメータである。病気になった細胞、例えばガン細胞では温度が上昇している例が知られており、診断や治療という観点からも１細胞や細胞内温度を計測することは重要な意義を持っている。しかし、1 μmの小さな領域の温度を1℃以下の高分解能で測定することは困難だった。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光を測定することにより、生体分子の温度を計測する技術を開発した。この手法は純粋に物理的な手段で生体分子の温度を測定できるという利点がある。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】16K14705 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノバイオ / 細胞・組織 / 生体分子 / 分析科学 / 生物物理

【研究成果の概要】

水分子O-H伸縮振動のラマンスペクトルは幅広いスペクトルとなり、大きく分けて２つのピークが観測されること、isosbestic pointが3419 cm-1にあることが知られている。高温になるほど低ラマンシフト側のピークが小さくなり、高ラマンシフト側のピークが大きくなるため、この性質を利用して温度を計測できた。また、C-C-N変角振動（458 cm-1）、ジフェニルジテレニドのTe-Te伸縮振動（150 cm-1）などの低周波振動のラマンスペクトルを計測し、ストークス光とアンチストークス光も強度比を計算することによりマイクロメートルの微小領域の温度を計測することができた。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【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】分析化学

【研究領域課題番号】15H03824 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分析科学 / 生体物理 / 生体分子 / 生体膜 / 表面・界面物性 / 界面活性分子 / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究では，自立型脂質二重膜である黒膜について，レーザー誘起界面変形法（LISD），光褪色後蛍光回復法（FRAP）の適用を可能にすると共にコレステロール濃度・浸透圧依存性の測定を行った。浸透圧が増加した場合，膜張力と拡散係数が共に増加したのに対し，コレステロール濃度が増加した場合は膜張力が増加したのに対して拡散係数の減少が見られた。これらの結果は膜張力と流動性についての系統的な測定結果として重要であるだけでなく，これまで測定できなかった平坦，かつ揺らぎが大きな脂質二重膜についての結果である点でも重要であり，今後の発展が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【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】生理学一般

【研究領域課題番号】15H04677 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理 / ナノバイオ / 分子イメージング / 心筋 / 細胞・組織 / 生理学 / 生体分子 / 循環器・高血圧 / 筋肉生理学 / 興奮収縮連関

【研究成果の概要】

1）ラット幼若心筋細胞のZ線にα-actinin-YC-Nano140を発現させ、細胞内局所のCa濃度とサルコメア長の同時計測を行った。2）マウス摘出心臓において、心筋細胞内局所のCa動態を計測する技術を開発した。3）マウスin vivo心臓から心筋細胞内のサルコメアの動きを高空間（20 nm）・時間（10 ms）分解能で捉えることのできるシステムを開発し、サルコメア動態とマクロパラメータ（心電図および左心室内圧）のリアルタイム同時計測を行った。4）ヒト心筋の単一筋原線維においてサルコメア自励振動を惹起させ、拡張型心筋症患者の筋原線維ではサルコメアの動態挙動が抑制されていることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【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】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】23300146 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 細胞・組織 / 生体分子 / ナノバイオ / 心筋 / 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / バイオイメージング / ナノバイオシステム / １分子イメージング・ナノ計測 / 医用物理学 / 生物物理一般 / 生物物理

【研究成果の概要】

1）ラット培養幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、収縮の最小単位であるサルコメアの長さ変化を細胞内Ca濃度変化と同時にnm精度で解析できるシステムの構築に成功した。2）ラット培養幼若心筋細胞において、約38℃以上の条件下、高速（~10 Hz）のサルコメア振動（HSOs）が生じることを見出した。3）マウスin vivo心臓において、心筋細胞内ナノ分子情報を抽出できる新たな顕微システムを構築し、サルコメアの動きを高空間・時間分解能で捉えることに成功した。4）Frank-Starling機構について解析し、その程度が細いフィラメントの”on-off”平衡に依存していることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】20500368 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 生物物理 / 細胞・組織 / 生物・生体工学 / 生体分子

【研究成果の概要】

スターリングの心臓法則は、心筋サルコメアの発生張力が伸展によって増大するという「筋長効果」に基づいている。本研究において申請者らは、筋長効果の程度が細いフィラメントの協同性と逆相関していることを見出した。また、実験的に得られた結果を、Ca^<2+>依存性の細いフィラメントのON-OFFスイッチ機構と格子間隔を組み入れたモデルによって、定量的にシミュレートすることに成功した。これらの結果は、Frank-Starling機構が細いフィラメントの協同性によって制御されていることを示している。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】20770119 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞運動 / 鞭毛・繊毛 / 生体分子 / 生物物理

【研究成果の概要】

真核生物の繊毛・鞭毛軸糸の周辺微小管は,ネキシンリンクと呼ばれる伸縮性を持つ構造によって架橋されている.この構造は,軸糸構造の保持と周辺微小管間に生じる滑り運動を屈曲へと変換する上で重要であり,初期の電子顕微鏡観察で見いだされていたが,蛋白質としての実体は殆どわかっていなかった.本研究では,架橋構造が残る条件で抽出した軸糸残渣から候補蛋白質を複数クローニングし,局在および変異体の解析により架橋構造への関与を確認した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】19204042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理 / ナノマシン / 表面・界面物性 / 放射線・X線・粒子線 / 生体分子 / 蛋白質水和 / 蛋白質結晶学 / 湿度制御 / 光受容蛋白質 / 脱炭酸酵素 / 分子動力学計算 / 脱水素酵素 / 受容体蛋白質

【研究成果の概要】

蛋白質結晶周辺の湿度を変化させ、結晶内のバルク水量を非破壊・可逆的に制御可能な装置の開発を進め、湿潤空気流量300~450ml/minで相対湿度20~96%rhの範囲で実験を行うことが可能な装置とその実験手順を確立し各種蛋白質結晶に適用した。サブゼロ温度領域で蛋白質のダイナミクスを探る実験、種々の蛋白質結晶についての構造解析、分子動力学計算を通じた蛋白質の運動と水和構造変化の相関解析も実施した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】36,010千円 (直接経費: 27,700千円、間接経費: 8,310千円)