３次元フォース解析による生体分子－溶液界面の構造・機能可視化

使用 3D 力分析可视化生物分子-溶液界面的结构和功能

• 批准号: 17H01059
• 负责人: 山田 啓文
• 金额: $ 27.62万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-01 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17H01059/
• 关键词: FM-AFM; ３次元フォースマッピング; 特異結合力; 水和殻; 走査プローブ顕微鏡

本研究では、これまでに開発された高感度・高分解能FM-AFM法に基づく３次元フォースマップ技術を高度化し、力検出信号の実時間運動解析を取り入れることで、複雑な３次元構造をもつ生体分子に対しても安定な相互作用力測定を実現し、単一分子レベルでの生体分子間認識相互作用計測を可能とする新たな３次元相互作用力可視化技術の確立を目的としている。本年度は、生体分子の機能イメージングに関連して、３次元フォースマップ法の高度化および生体分子周囲の水和殻可視化についての研究に注力した。３次元フォースマップ法では、試料上の全面にわたってフォースカーブ測定を繰り返すことで、３次元的なフォース分布を取得するが、その際、探針が試料に接近・後退する時間を測定パラメータとして制御し、力応答信号の時間解析を行うことで、特異結合部の特性を明らかにし、さらには結合部位の空間統計分布を求めた。一方、探針が接触状態あるいは分子と強く結合している場合、外部励振による探針振動は複雑な運動となることから、熱雑音による励振による探針カンチレバーの周波数特性変化の解析も進めた。固液界面上に特徴的に出現する水和構造は、３次元フォースマッピングによって可視化できるが、原子的平坦性を有する固体結晶表面とは異なり、生体分子は複雑な表面構造をもつため、こうした分子上での水和構造も極めて複雑な構造となり、水和殻可視化は困難な計測となる。本研究では、カンチレバーの力学パラメータ（共振周波数・ばね定数）および探針の接近・後退運動を最適化することで、実用的な水和殻可視化測定を実現した。

In this study, we have developed high sensitivity and high resolution energy FM-AFM method, based on three-dimensional (3-D) technology, to improve the accuracy of force detection signals and time-based motion analysis, and to realize the measurement of stable interaction forces between living molecules and complex 3-D structures. A new technique for visualizing three-dimensional interactions between living molecules is proposed. This year, we will focus on the research on the relationship between biological molecular function and three-dimensional molecular biology, and the visualization of biological molecular cycle and shell. The three-dimensional method determines the overall size of the sample, the spatial distribution of the three-dimensional sample, the time of the probe approach, the time of the force response signal, the characteristics of the specific binding site, and the spatial statistical distribution of the binding site In case of contact state, strong combination of molecules, external excitation, complex vibration of probe, thermal noise, excitation, and frequency characteristics of probe The appearance of features on solid-liquid interfaces, such as water and structure, three-dimensional visualization, flatness of atoms, surface heterogeneity of solid crystals, surface structure of organic molecules, and visualization of water and shell, are difficult to measure. In this study, the mechanical parameters of the probe and the probe approach and retreat motion optimization were optimized, and the practical water and shell visualization measurements were performed.