Understand molecular motors

Molecular motor proteins support life and are far superior to synthetic molecular machines in many aspects [1-3]. To understand their operational and design principles, we visualize motions of molecular motor proteins and engineer molecular motors which 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[1-4]。私たちは、生体分子モーターの動きをみる、天然にない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[4-9].

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" 日本語訳：分子マシンの時代がやってきた（Natureダイジェスト 2015年12月号）
4. An Interview posted on the website of IMS (April 2, 2020) 日本語版
5. 飯野亮太 現代化学 2021年7月号「生体分子モーターの予想外の動きを観る」
6. 飯野亮太 生物物理 2021年61巻2号「いきものが機械でもいいじゃない」
7. 金原数, 飯野亮太, 竹内正之, 前多裕介 現代化学 2022年3月号「はたらく分子マシン：ナノの世界のエネルギー変換へ」
8. ラボ紹介ショート動画（＠分子研OC2023 2023年4月22日公開）
9. ヨビノリさんによるラボ紹介動画（2023年3月14日公開）

Visualize molecular motors

We unveil operational principles of molecular motor proteins. We are studying linear [1-9] and rotary molecular motors [10-15]. Our recent targets are V-ATPases and kinesins. For example, V-ATPase is a nano-sized rotary ion pump driven by ATP hydrolysis, and we will elucidate its energy conversion mechanism.

To understad operational principles, we develop high-speed/high-precision  single-molecule imaging with plasmonic nanoprobes [3, 8-10, 12, 13, 16-18]. We also collaborate with Prof. Takayuni Uchihashi (Nagoya Univ) for single-molecule imaging with high-speed AFM [19, 20]. Furthermore, we determine structures of molecular motor proteins by using X-ray crystallography [3] and cryo-EM single-particle analysis [11, 14, 15] by collaborations with Prof. Akihiko Nakamura (Shizuoka Univ), Prof. Kazuyoshi Murata (ExCELLS), and Takeshi Muara (Chiba Univ).

私たちはリニア分子モーター[1-9]や回転分子モーター[10-15]の作動原理を解明します。最近の主なターゲットはV-ATPaseやキネシンです。例えば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あり、そのエネルギー変換の仕組みを明らかにします。

作動原理を理解するため、私たちは光学顕微鏡１分子イメージング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, 13, 16-18]。また、内橋貴之さん(名大)との共同研究で高速AFM１分子計測[19, 20]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(ExCELLS)、村田武士さん(千葉大)とクライオ電顕単粒子解析[11, 14, 15]、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, 3. Nat Commun 2018, 4. PCCP 2018 (Backcover), 5. J Biol Chem 2020, 6. J Biol Chem 2016 (Cover), 7. J Biol Chem 2014, 8. Sci Rep 2020, 9. Nat Chem Biol 2016, 10. J Biol Chem 2019, 11. Sci Rep 2018, 12. J Biol Chem 2014, 13. PNAS 2022, 14. Commun Biol 2023, 15. Nat Struct Mol Biol 2024, 16. Biophys J 2018, 17. ACS Photonics 2019, 18. Anal Chem 2015, 19. Nat Commun 2018, 20. BBA Gen Sub 2020

Engineer molecular motors

To understand their design principles, we engineer molecular motor proteins by using saturation mutagenesis and robot-based automation [1, 2], hybridization [3], and computational design [4, 5]. Computational design is conducted by collaboration with Prof. Nobuyasu Koga (Univ of Osaka) and Prof. Takahiro Kosugi (IMS). We also engineer atrificial molecular motors that outperform natural ones [6], and an industrially important PET hydrolase [7, 8].

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挑戦しています。網羅的変異体作製とロボットによる自動化[1, 2]、異種分子間のハイブリッド化[3]、計算科学による合理設計[4, 5]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(阪大)、小杉貴洋さん(分子研)との共同研究で進めています。また、天然の分子モーターを凌駕する性能や機能を持つ人工分子モーターの創製にも取り組んでいます[6]。さらに、産業において重要なPET分解酵素の改変にも取り組んでいます[7, 8]。

1. ACS Omega 2020, 2. ACS Omega 2018,3. PNAS 2016, 4. Biochemistry 2015, 5. Nature Chemistry 2023, 6. Nat Commun 2025, 7. ACS Catalysis 2021 (Press release),  8. Press rerelase with KIRIN holdings