研究の目的
本研究の目的は、膜タンパク質に任意の膜電位を与え、その動く様子を1分子単位で観察し、機能を明らかにすることにある。これまで、脂質二重膜の扱いの難しさから、このような観察を行うような系はなかったが、ナノ・マイクロ加工技術を利用して、脂質二重膜に再構成された膜タンパク質に対し安定に膜電位を与え、容易に1分子観察できる系を構築し、さらに開発された技術を応用して、生体分子とナノ・マイクロ加工技術を統合した新規な計測系の開発を目指す。
研究項目及び実施体制(◎は研究代表者)
- 膜タンパク質の調製とその1分子観察
(◎野地 博行/大阪大学産業科学研究所) - マイクロ加工によるナノデバイスの作製
(藤井 輝夫/東京大学生産技術研究所)
(竹内 昌治/東京大学生産技術研究所)
研究の内容及び主要成果
- 膜タンパク質の1分子計測とダイナミクスを計測するためのシステム開発を行った。そのシステムを用いて、FoF1-ATP合成酵素の膜電位応答や小胞輸送系における膜小胞形成過程の観察、トランスポーターの1分子観察を行った。さらに、竹内グループが開発したマイクロチャンバー内にF1モーターを閉じこめ、その1分子回転観察中に強制的にATP合成を行わせ、ATP合成反応と回転の関係を明らかにした。また、このデバイスを用いて、酵素反応の1分子イメージングにも成功した。
- マイクロ・ナノ加工技術を応用して、1分子計測用のマイクロチャンバーの開発、Foモーターの回転観察用膜アレイの開発及び膜タンパク質チップへの展開、それらを支えるためのタンパク質パターニング技術などの要素技術を開発した。工学応用展開としては、多チャンネル化に成功し膜タンパク質チップとしての可能性を示すことができた。
- 1分子計測のプラットホームとなるようなマイクロチップ開発を研究の目的とし、ナノメートルサイズの電極構造(ナノ電極)にタンパク質分子を固定化する技術を開発した。また、固定化した分子に対する薬物供給を実現するため、8チャンネルのマイクロポンプを開発するとともにマイクロ流路内で多層流を制御し、任意の層流を任意の位置に送液することで薬物送達を実現する薬物送達マイクロ流体デバイスを開発した。
見込まれる波及効果
本研究から得られた成果は学術的な意義に加え、食品医療分野において微少量かつ迅速な検査デバイスやバイオセンサーとしての応用や、極限環境下での実験デバイスとしての応用が考えられる。
主な発表論文
- Rondelez Y., et al. : Highly coupled ATP synthesis by F1-ATPase single molecules. Nature 433 : 773-777 (2005)
- Rondelez Y., et al. : Microfabricated arrays of femtoliter chambers allow single molecule enzymology. Nature Biotech. 23 : 361-365(2005)
- Lee SW., et al. : Chemical delivery microsystem for single-molecule analysis using multilaminar continuous flow.Enzyme and Microbial Technology. 39 : 519-525(2006)
- Suzuki H., et al. : Highly reproducible Method for Planar Lipid Bilayer Reconstituted using a Micro Fluidic Chip.Langmuir. 22 : 1937-1942(2006)
- Suzuki H., et al. : Planar lipid bilayer reconstitution with a micro-fluidic system. Lab on a Chip. 4 : 502-505(2004)
研究のイメージ
