Understanding of cholesterol transporter mechanisms via HS-AFM and computational modeling

当該年度は、脂質膜のナノディスクに埋め込んだコレステロール輸送タンパク質の高速AFM観察と、その機能メカニズムを詳細に理解するために計算科学的な手法をAFMの画像解析に取り入れるための研究開発を行った。観察対象であるコレステロール輸送タンパク質のヌクレオチド結合ドメイン、コレステロールを蓄積するエクストラセルラードメインを明瞭に可視化するために、AFM観察基板面と垂直に脂質膜が配置するような分子の固定法を開発した。タンパク質タグやそれに結合する小分子、溶液条件を検討することで、目標としていた配置で分子を効率よく固定することができるようになった。その観察基板を用いて高速AFM観察を行った結果、ATP依存的に、目的のタンパク質の構造形態変化を捉えることができた。これらの観察結果を高速AFMの時間・空間分解能を超えて解釈するために、計算科学的な手法を取り入れた。はじめに、Protein Data Bankに登録されている対象の分子の原子レベルのモデル構造にAFMの探針効果を入れて疑似AFM像を作成し、そこで得られた像が実際の高速AFMで観察した分子の形状が最も相関する分子の固定のされ方を比較した。ここで2つの画像（疑似AFM像と高速AFM像）に高い類似性を見出すことができた。さらに、タンパク質表面と観察基板の電荷分布を考慮して、分子がどのように配向すると最も安定に基板表面に固定されるかを計算する手法の開発に取り組んだ。これにより、AFMで観察されている分子の配向が理論的にもサポートされることが期待される。

当該年度は、脂質膜のナノディスクに埋め込んだコレステロール輸送タンパク質の高速AFM観察と、その機能メカニズムを詳細に理解するために計算科学的な手法をAFMの画像解析に取り入れるための研究開発を行った。観察対象であるコレステロール輸送タンパク質のヌクレオチド結合ドメイン、コレステロールを蓄積するエクストラセルラードメインを明瞭に可視化するために、AFM観察基板面と垂直に脂質膜が配置するような分子の固定法を開発した。タンパク質タグやそれに結合する小分子、溶液条件を検討することで、目標としていた配置で分子を効率よく固定することができるようになった。その観察基板を用いて高速AFM観察を行った結果、ATP依存的に、目的のタンパク質の構造形態変化を捉えることができた。これらの観察結果を高速AFMの時間・空間分解能を超えて解釈するために、計算科学的な手法を取り入れた。はじめに、Protein Data Bankに登録されている対象の分子の原子レベルのモデル構造にAFMの探針効果を入れて疑似AFM像を作成し、そこで得られた像が実際の高速AFMで観察した分子の形状が最も相関する分子の固定のされ方を比較した。ここで2つの画像（疑似AFM像と高速AFM像）に高い類似性を見出すことができた。さらに、タンパク質表面と観察基板の電荷分布を考慮して、分子がどのように配向すると最も安定に基板表面に固定されるかを計算する手法の開発に取り組んだ。これにより、AFMで観察されている分子の配向が理論的にもサポートされることが期待される。