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Research研究内容

Principles of protein molecular motors

Protein molecular motors support life, and are far superior to synthetic molecular machines in many aspects [1-3]. In order to clarify their operational and design principles, we investigate the motion and function of individual protein molecular motors, and engineer protein molecular motors that do not exist in nature [4].

タンパク質分子モーターは生命の活動を支えています。生体分子機械であるタンパク質分子モーターは、人工分子機械よりも遥かに優れた機能を発揮します[1-3]。私たちは、個々の生体分子モーターの動きや機能を調べる、天然にない生体分子モーターをつくるといったアプローチで、その作動原理と設計原理を明らかにします[4].

[1] Iino R et al, Chemical Reviews (2020) "Introduction: Molecular Motors"
[2] The Nobel Prize in Chemistry 2016 "The design and synthesis of molecular machines"
[3] Peplow M, Nature (2015) "The tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps"
[4] An Interview posted in the website of IMS (April 2, 2020)

Understand protein molecular motors

We unveil operational principles of protein molecular motors. We are studying linear [1-9] and rotary molecular motors [10-12] which generate mechanical forces and torques from chemical energy or electrochemical potential. Especially, we focus on new molecular motors such as chitinasescellulases and V-ATPases. Our study is based on state-of-the-art single-molecule imaging.

We are developing new single-molecule methods such as high-speed/high-precision imaging with plasmonic nanoprobes [3, 8-10, 12-15]. We also collaborate with Prof. Takayuni Uchihashi (Nagoya Univ) for single-molecule imaging with high-speed AFM [16] and development of hybrid instruments [17]. We also determine structures of protein molecular motors by using X-ray crystallography [3] and cryo-EM single-particle analysis by collaborations with Prof. Akihiko Nakamura (Shizuoka Univ) and Prof. Kazuyoshi Murata (NIPS), respectively.

私たちはリニア分子モーター[1-9]や回転分子モーター[10-12]の作動原理を解明します。例えば、セルラーゼキチナーゼは、結晶性多糖を固液界面で分解しながら一方向に運動するリニア分子モーターです[1-7]。駆動力はATPではなく糖鎖の化学エネルギーで、ミオシン、キネシン等の従来の分子モーターとは作動原理が全く異なります。また回転分子モーターV-ATPase[10-12]は、力学的回転を介しATPの化学エネルギーをイオンの電気化学ポテンシャルに変換します。

私たちは光学顕微鏡1分子計測を分子モーターの解析に駆使します。プラズモニックナノプローブ高速・高精度1分子計測の開発を行っています[3, 8-10, 12-15]。また、内橋貴之さん(名大)との共同研究で高速AFM1分子計測[16]や光学顕微鏡・高速AFM複合機[17]の開発も行っています。さらに、中村彰彦さん(静岡大)とX線結晶構造解析[3]、村田和義さん(生理研)とクライオ電顕単粒子解析[11]、岡崎圭一さん(分子研)とMDや数理シミュレーション[2]の共同研究を行っています。

[1] J Biol Chem 2020, [2] J Phys Chem 2020 (Press release), [3] Nat Commun. 2018, [4] PCCP 2018 (Backcover), [5] J Biol Chem 2020 (Press release), [6] J Biol Chem 2016 (Cover), [7] J Biol Chem 2014, [8] Sci Rep 2020 (Press release), [9] Nat Chem Biol 2016, [10] J Biol Chem 2019 (Press release), [11] Sci Rep 2018, [12] J Biol Chem 2014, [13] Biophys J 2018 (Press release), [14] ACS Photonics2019 (Press release), [15] Anal Chem 2015, [16] Nat Commun. 2018, [17] BBA Gen Sub 2020

Engineer protein molecular motors

To understand their design principles, we engineer protein molecular motors by using saturation mutagenesis and robot-based automation [18, 19], hybridization [20], and computational design [21, 22]. Computational design is conducted by collaboration with Prof. Nobuyasu Koga and Prof. Takahiro Kosugi (IMS).

私たちは天然に存在しないタンパク質分子モーターをつくることにチャレンジしています。網羅的変異体作製ロボットによる自動化[18, 19]、異種分子間のハイブリッド化[20]、計算科学による合理設計[21, 22]を駆使し、タンパク質分子モーターを改造してその設計原理を理解します。合理設計は古賀信康さん、小杉貴洋さん(分子研)との共同研究で進めています。

[18] ACS Omega 2020, [19] ACS Omega 2018, [20] PNAS 2016, [21] Biochemistry 2015, [22] bioRxiv 2020