Research研究内容
分子モーターの作動原理・設計原理の理解、性能向上、機能創成
生体分子モーターは生命の活動を支えています[1]。タンパク質からなる分子機械である生体分子モーターは、人工分子機械よりも遥かに優れた機能を発揮します。分子研飯野グループでは、生体分子モーターや人工分子モーターの動きをみる、天然に存在しない生体分子モーターや人工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。
私たちは、生体回転分子モーター[2, 3]や生体リニア分子モーター[4, 5]の作動原理を明らかにします。最近の主なターゲットは、V-ATPaseやキネシンです。V-ATPaseは、ATPの化学エネルギーを用いて一方向に回転し細胞膜を介してイオンを能動輸送するナノサイズのポンプです。キネシンは、細胞内における膜小胞の高速長距離輸送を担っています。
また私たちは、分子モーターの作動原理を理解するため、光学顕微鏡を用いた１分子計測で動きを詳細に解析します。この目的のため、金ナノ粒子等のプラズモニックナノプローブを利用した高速高精度１分子イメージングの開発を行っています[6, 7]。クライオ電子顕微鏡を用いた構造解析[8]や、スパコンを用いたMDシミュレーションも共同研究で行っています。
さらに私たちは、天然に存在しないタンパク質分子モーターを積極的につくることでその設計原理を理解します。構造情報や計算科学に基づく合理設計を駆使し、生体分子モーターや酵素を改造して性能を向上させることに成功しています[9, 10]。さらに、生体分子モーターを凌駕する性能や機能を持つ人工DNA分子モーターの創製と応用にも取り組んでいます[11, 12]。
Molecular motors: Understanding operating and design principles, enhancing performance, creating functions
Biological molecular motors sustain vital activities in living organisms [1]. These protein-based molecular machines exhibit capabilities far beyond those of artificial molecular machines. In the Iino Group at the Institute for Molecular Science, we seek to elucidate their operating and design principles by observing biological and artificial molecular motors in action and creating novel biological and artificial molecular motors that do not exist in nature.
We investigate the operating principles of biological rotary molecular motors [2, 3] and biological linear molecular motors [4, 5]. Our main targets at present are V-ATPase and kinesin. V-ATPase is a nanoscale pump that uses the chemical energy of ATP to rotate in one direction and actively transport ions across cell membranes. Kinesin is responsible for the fast, long-distance transport of membrane vesicles within cells.
To understand how molecular motors work, we analyze their motions in detail using optical microscopy-based single-molecule measurements. To this end, we are developing high-speed, high-precision single-molecule imaging techniques using plasmonic nanoprobes such as gold nanoparticles [6, 7]. We also conduct structural analyses using cryo-electron microscopy [8] and molecular dynamics (MD) simulations using supercomputers in collaboration with other research groups.
We also aim to uncover the design principles of molecular motors by actively creating protein-based molecular motors that do not exist in nature. Using rational design supported by structural information and computational science, we have successfully engineered biomolecular motors and enzymes to improve their performance [9, 10]. In addition, we are developing artificial DNA molecular motors designed to surpass biomolecular motors in performance or functionality, and exploring their applications [11, 12].
代表的論文と総説 Selected publications
1. *Iino R, *Kinbara K, *Bryant Z
Introduction: Molecular Motors
Chemical Reviews 120: 1-4 (2020) DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00819 PDF
2. Iida T, Minagawa Y, Ueno H, Kawai F, Murata T, *Iino R
Single-molecule analysis reveals rotational substeps and chemo-mechanical coupling scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase
J Biol Chem 294, 17017-17030 (2019) DOI:10.1074/jbc.RA119.008947 OA
Press release: Researchers visualize bacteria motor in first step toward human-produced electrical energy
プレスリリース：回転分子モーターV1の化学力学エネルギー変換機構を解明
オプトロニクスオンライン：分子研ら，分子モーター機構をレーザーで解明（2019年10月28日）
3. Otomo A, Iida T, Okuni Y, Ueno H, Murata T, *Iino R
Direct Observation of Stepping Rotation of V-ATPase Reveals Rigid Component in Coupling between Vo and V1 Motors
Proc Natl Acad Sci USA 119, e2210204119 (2022) DOI: 10.1073/pnas.2210204119
Press release: Molecular-motor specialists deepen our understanding of a rotary ion pump of the cell
プレスリリース：回転イオンポンプの２つの分子モーターは硬く繋がり連動して働く
4. #Isojima H, #Iino R, Niitani Y, Noji H, *Tomishige M (#Equal contribution)
Direct observation of intermediate states during the stepping motion of kinesin-1
Nat Chem Biol 12, 290-297 (2016) DOI:10.1038/nchembio.2028
News and Views in Nature Chemical Biology: Motor proteins: Kinesin's gait captured
ブレスリリース：二本足で歩く分子モータータンパク質キネシンの足の動きを精細に可視化
5. *Nakamura A, Okazaki K, Furuta T, Sakurai M, *Iino R
Processive chitinase is Brownian monorail operated by fast catalysis after peeling rail from crystalline chitin
Nat Commun. 9, 3814 (2018) DOI:10.1038/s41467-018-06362-3 OA
Press release: Chitinase as 'burnt-bridge' Brownian monorail efficiently hydrolyzing recalcitrant biomass
プレスリリース：キチン加水分解酵素は熱ゆらぎを利用して一方向に動きながら結晶性バイオマスを分解する分子モノレールカーである
科学新聞紹介記事（2018年10月5日6面、pdf 1MB）
6. #Ando J, #Nakamura A, Visootsat A, Yamamoto M, Song C, Murata K, *Iino R (#Equal contribution)
Single-nanoparticle tracking with angstrom localization precision and microsecond time resolution
Biophys J 115, 2413-2427 (2018) DOI:10.1016/j.bpj.2018.11.016 OA
Press release: Gold nanoparticle microsecond tracking with atomic-level localization precision achieved
プレスリリース：光学顕微鏡で原子レベルの位置決定精度を達成
科学新聞紹介記事（2018年12月14日1面、pdf 0.8MB）
7. *Ando J, Nakamura A, Yamamoto M, Song C, Murata K, *Iino R
Multicolor high-speed tracking of single biomolecules with silver, gold, silver-gold alloy nanoparticles
ACS Photonics 6, 2870-2883 (2019) DOI:10.1021/acsphotonics.9b00953
Press release: Speedy and precise multicolor imaging of biomolecules now possible
Optics & Photonics News: Nanoparticles Enable Multicolor Imaging of Biomolecules
Antpedia: 原来纳米粒子可以对生物分子进行多色成像
プレスリリース：光学顕微鏡によるマルチカラー高速高精度１分子観察を実現
オプトロニクスオンライン：分子研ら，光学顕微鏡でマルチカラー1分子観察 （2019年11月26日）
科学新聞：マルチカラー高速高精度１分子観察 分子研が光学顕微鏡で実現
8. Suzuki K, Goto Y, Otomo A, Shimizu K, Abe S, Moriyama K, Yasuda S, Hashimoto Y, Kurushima J, Mikuriya S, Imai FL, Adachi N, Kawasaki M, Sato Y, Ogasawara S, Iwata S, Senda T, Ikeguchi M, Tomita H, Iino R, Moriya T, *Murata T
Na+-V-ATPase inhibitor curbs VRE growth and unveils Na+ pathway structure
Nat Struct Mol Biol 32, 450–458 (2025) DOI:10.1038/s41594-024-01419-y
プレスリリース：バンコマイシン耐性腸球菌（ＶＲＥ）感染症の治療に道 -ナトリウムポンプ阻害剤の発見とその阻害機構を解明-
9. *Kosugi T, Iida T, Tanabe M, Iino R, *Koga N
Design of allosteric sites into rotary motor V1-ATPase by restoring lost function of pseudo-active sites
Nature Chemistry 15, 1591–1598 (2023) DOI:10.1038/s41557-023-01256-4
Press release: Scientists develop strategy to engineer artificial allosteric sites in protein complexes
プレスリリース：進化の過程で失った機能を復活させ、回転型分子モーターの加速に成功 ～タンパク質複合体の協奏的機能を制御する新手法～
日本経済新聞：分子科学研と生命創成探究センターなど、失った機能を計算機を用いたタンパク質設計で復活させ回転型分子モーターの加速に成功
10. *Nakamura A, Kobayashi N, Koga N, *Iino R
Positive charge introduction on the surface of thermostabilized PET hydrolase facilitates PET binding and degradation
ACS Catalysis 11, 8550-8564 (2021) DOI:10.1021/acscatal.1c01204
Press release 1: Engineered protein inspired by nature may help plastic plague
Press release 2: Joint Research Begins on PET-degrading Enzymes for Sustainable Recycling (2022/1/31)
プレスリリース１: プラスチック分解酵素の熱安定性と活性を向上させ、熱安定性向上の構造的基盤と活性向上の機構を解明（2021年7月1日）
科学新聞：プラスチック分解酵素 熱安定性と活性を向上（2021年7月23日）
プレスリリース２: “酵素でペットボトルをリサイクル” PET分解酵素の産業応用に向けた共同研究を開始（2022年1月18日）
日経バイオテク：キリンと静岡大、自然科学研究機構、酵素によるPETリサイクル技術を共同研究（2022年1月20日）
日刊工業新聞(PDF)：酵素でペットボトル再生 キリン静岡大など共同研究（2022年1月20日24面、転載許諾済）
11. *Harashima T, Otomo A, *Iino R
Rational engineering of DNA-nanoparticle motor with high speed and processivity comparable to motor proteins
Nat Commun 16, Article number 729 (2025) DOI:10.1038/s41467-025-56036-0
概要解説音声
Press release: Can DNA-nanoparticle motors get up to speed with motor proteins?
プレスリリース：人工分子モーターの合理的な改造で天然のモータータンパク質に匹敵する運動速度と走行距離を達成
ケムステ：モータータンパク質に匹敵する性能の人工分子モーターをつくる
科学新聞：天然のモータータンパク質に匹敵 運動速度と走行距離 人工分子モーターで実現（2025年2月21日付4面）
客观日本：日本分子研成功利用人工分子马达实现媲美天然马达蛋白的运动速度和距离，有望应用于高速运算和疾病检测领域
12. *Harashima T, *Iino R
Artificial DNA-nano/microparticle motors: Factors governing speed, run length, and unidirectionality revealed by geometry-based kinetic simulations
Biophys J 125, 6272-6290 (2026) DOI:10.1016/j.bpj.2026.09.041
Press Release: Simulations Reveal Design Rules for High-Performance DNA Particle Motors
プレスリリース：人工分子モーターをさらに高速、長距離、一方向に
―粒子サイズと反応速度から導く設計指針をシミュレーションで提案―
5-min audio overview: How particle size dictates artificial DNA motor movement
