分子機械設計研究部門分子科学研究所

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研究内容

飯野　亮太（教授）中村　彰彦（助教）

研究内容

生命活動は生物が進化の過程で創りだした様々な分子機械が担っています。生体分子機械はタンパク質や核酸で出来ていて大きさは数ナノメートル（10億分の1メートル）と小さいですが、たった１個、１分子で働くことができます。生体分子機械は高い基質選択性、反応特異性、エネルギー変換効率、可逆性など、人間が作った機械に負けない、またはそれ以上の高度な性能を発揮します[1]。私たちは生体分子機械の作動原理を、個々の分子機械の動きを観る、操作する、天然にない新しい分子機械を創る、といったアプローチで明らかにします。さらに、創った分子機械による生体の制御を目指します。

分子機械の代表格は、入力エネルギーを力学的仕事に変換して運動する分子モーターです。私たちは、新しいリニア分子モーター[2]や回転分子モーター[3]を研究しています。例えば、バイオエタノールの原料となる結晶性多糖を分解するセルラーゼやキチナーゼは、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。駆動力源はATPではなくレールとなる多糖の加水分解エネルギーであり、ミオシン等の従来のリニア分子モーターとは作動原理が全く異なります。またセルラーゼやキチナーゼは異種分子を同時に作用させると結晶性多糖の分解効率が大きく増加する協調現象、「シナジー効果」が知られています。私たちは、セルラーゼ、キチナーゼの作動原理や協調現象の仕組みを明らかにすべく研究に取り組んでいます。

研究手法には、実際に機能している個々の分子機械を直接観察・操作する１分子計測を駆使します[4, 5]。光学顕微鏡とマイクロデバイスの融合[6]、超解像蛍光顕微鏡と高速原子間力顕微鏡の複合機[7]など、新規な１分子計測法の開発を行っています。さらに天然に存在する分子機械を計測するだけでなく、キメラ化、分子進化工学、計算科学によるデザイン、非天然アミノ酸導入等の手法を駆使し、新しい機能を持つ分子機械の創製を行います。積極的に創製して作動原理をボトムアップで理解するだけでなく、欲しい機能を持つ分子機械を自在にデザインする「分子機械設計学」の確立を目指します。さらに、創製した分子機械を生き物に戻してやることで細胞や個体の特性（運動性、サイズ等）を制御する「生体制御学」の確立を目指します。


新しいリニア分子モーター、キチナーゼ

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  1. 飯野亮太 "モータータンパク質"「DOJIN BIOSCIENCEシリーズ：揺らぎ・ダイナミクスと生体機能−物理化学的視点からみた生体分子−」第15章1節 P233-242. 化学同人 2013
  2. Shibafuji Y, Nakamura A, Uchihashi T, Sugimoto N, Fukuda S, Watanabe H, Samejima M, Ando T, Noji H, Koivula A, Igarashi K, Iino R. Single-molecule imaging analysis of elementary reaction steps of Trichoderma reesei cellobiohydrolase I (Cel7A) hydrolyzing crystalline cellulose Iα and IIII. J. Biol. Chem. 2014 289: 14056-14065.
  3. Minagawa Y, Ueno H, Hara M, Ishizuka-Katsura Y, Ohsawa N, Terada T, Shirouzu M, Yokoyama S, Yamato I, Muneyuki E, Noji H, Murata T, Iino R. Basic properties of rotary dynamics of the molecular motor Enterococcus hirae V1-ATPase. J. Biol. Chem. 2013 288: 32700-32707.
  4. Watanabe R, Tabata KV, Iino R, Ueno H, Iwamoto M, Oiki S, Noji H. Biased Brownian stepping rotation of FoF1-ATP synthase driven by proton motive force. Nature Communications 2013 4: 1631.
  5. Uchihashi T, Iino R, Ando T, Noji H. High-speed atomic force microscopy reveals rotary catalysis of rotorless F1-ATPase. Science 2011 333: 755-758.
  6. Kim SH, Iwai S, Araki S, Sakakihara S, Iino R, Noji H. Large-scale femtoliter droplet array for digital counting of single biomolecules. Lab Chip 2012 12: 4986-4991.
  7. Fukuda S, Uchihashi T, Iino R, Okazaki Y, Yoshida M, Igarashi K, and Ando T. High-speed atomic force microscope combined with single-molecule fluorescence microscope. Review of Scientific Instruments 2013 84: 073706