人工ナノ筋肉の超解像イメージングとデータ同化によるメカノ協同現象の理解

通过人造纳米肌肉的超分辨率成像和数据同化来理解机械协同现象

• 批准号: 21H01053
• 负责人: 岩城 光宏
• 金额: $ 9.82万
• 依托单位: National Institute of Information and Communications Technology (2021, 2023)Institute of Physical and Chemical Research (2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01053/
• 关键词: メカノバイオロジー; DNAナノテクノロジー; 筋収縮; 共同現象; ミオシン; 協同現象

本研究では、独自に開発した人工ナノ筋肉を用いて筋ミオシンの協同現象の直接可視化を行うのが目的である。本年度では、協同現象を生み出すのに重要となる力学コミュニケーションを蛍光シグナルで検出するフォースセンサを設計し、人工ナノ筋肉内への組み込みを検討した。フォースセンサは、バネとして機能する部位とバネの伸縮に応答して蛍光シグナルを変化させるレポーター部位から構成される。そこで、バネとして機能する部位に蜘蛛の糸を構成するペプチドを利用し、両端にcy3,cy5色素を配置してFRETシグナルが検出される設計を行った。人工ナノ筋肉を構成するDNAオリガミへの連結を行い、設計通りにラベルされるところまで確認できたが、ラベル率が思いのほか向上しなかったため、ペプチドベースでなく、一本鎖DNAをバネとして用いる設計に変更を行った。DNAオリガミに始めから組み込まれる設計となるため、フォースセンサのラベル率が100%であり定量性の高い計測が期待できる。また、cy3,cy5のFRETシグナルの検出だと２色を力測定に用いる必要があり、アクチンやミオシンなどを同時に観察できないため、cy3とクエンチャのペアに変更を行った。これによって、バネの伸展に伴ってcy3の蛍光強度変化が観察され、１色観察で力測定を行うことができる。以上のように修正を施したDNAオリガミのフォールディング条件を決定し、精製および原子間力顕微鏡を用いた観察を行ったところ、設計通りに作成できていることが確認できた。

This study で は, alone に 発 し た artificial ナ ノ brawn を with い て reinforcement ミ オ シ ン の collaborative phenomenon の line direct visualization を う の が purpose で あ る. This year で は, cooperative phenomenon born を み す の に important と な る mechanics コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン を 蛍 light シ グ ナ ル で 検 out す る フ ォ ー ス セ ン サ し を design, artificial ナ ノ dread within へ の group み 込 み を beg し 検 た. フ ォ ー ス セ ン サ は, バ ネ と し て function す る parts と バ ネ の telescopic に 応 answer し て 蛍 light シ グ ナ ル を variations change さ せ る レ ポ ー タ ー parts か ら constitute さ れ る. Function of そ こ で, バ ネ と し て す る parts に spider の si を constitute す る ペ プ チ ド を using し, struck に cy3 and cy5 pigment を configuration し て FRET シ グ ナ ル が 検 out さ れ る line design を っ た. Artificial ナ ノ brawn を constitute す る DNA オ リ ガ ミ へ の link line を い, design flux り に ラ ベ ル さ れ る と こ ろ ま で confirm で き た が, ラ ベ ル rate が think い の ほ か upward し な か っ た た め, ペ プ チ ド ベ ー ス で な く, a lock DNA を バ ネ と し て in い る design に line - more を っ た. DNA オ リ ガ ミ に beginning め か ら group み 込 ま れ る design と な る た め, フ ォ ー ス セ ン サ の ラ ベ ル が 100% で あ り quantitative の high い measuring が expect で き る. ま た, cy3 and cy5 の FRET シ グ ナ ル の 検 out だ と を 2 color measurement に with い る necessary が あ り, ア ク チ ン や ミ オ シ ン な ど を simultaneously に 観 examine で き な い た め, cy3 と ク エ ン チ ャ の ペ ア に line - more を っ た. こ れ に よ っ て, バ ネ の stretch に with っ て cy3 の 蛍 light intensity variations change が 観 examine さ れ, 1 color 観 examine で measurement line を う こ と が で き る. Above の よ う に correction を shi し た DNA オ リ ガ ミ の フ ォ ー ル デ ィ ン を decided し グ conditions, refined お よ び interatomic force 顕 micromirror を with い た 観 examine を line っ た と こ ろ, design flux り に made で き て い る こ と が confirm で き た.

项目成果

DNAを材料とした世界最小のコイル状バネの開発と利用方法

世界上最小的 DNA 螺旋弹簧的开发和使用

• 发表时间: 2021
• 作者: Mao Oide;Masayoshi Nakasako;高須理世音，間嶋拓也，寺本高啓，中尾友彦，李思瑶，土田秀次，斉藤学;岩城光宏
• 通讯作者: 岩城光宏

月刊バイオインダストリー「DNAを材料とした世界最小のコイル状バネの開発と利用方法」

生物工业月刊“世界上最小的DNA螺旋弹簧的开发和使用”

• 发表时间: 2021
• 作者: 二本木克旭;木田孝則;鳴海康雄;栗田伸之;田中秀数;金道浩一;萩原政幸;吉村信次，寺坂健一郎，荒巻光利;岩城光宏
• 通讯作者: 岩城光宏

DNAナノデバイスの開発とメカノバイオロジー研究への応用

DNA纳米器件的研制及其在力学生物学研究中的应用

• 发表时间: 2021
• 作者: T. Nakao;R. Takasu;H. Tsuchida;M. Saito;and T. Majima;石崎章仁;吉村信次，寺坂健一郎，皆川裕貴，荒巻光利;岩城光宏
• 通讯作者: 岩城光宏

DNAナノデバイスと単分子計測の融合から拓く分子メカノバイオロジー

通过 DNA 纳米装置和单分子测量融合发展起来的分子力生物学

• 发表时间: 2021
• 作者: 鈴木慎太郎;元売明瑞紗;出口和彦;山田庸公;石川明日香;藤井武則;那波和宏;佐藤卓;田村隆治;岩城光宏
• 通讯作者: 岩城光宏

DNA-based force sensor for single-molecule machanobiology

用于单分子机械生物学的基于 DNA 的力传感器

• 发表时间: 2021
• 作者: Vu Thi Ngoc Huyen;Yuki Yanagi;and Michi-To Suzuki;Mitsuhiro Iwaki
• 通讯作者: Mitsuhiro Iwaki