Development of the next-generation high-speed AFM and detailed dynamic behavior analysis of biomolecules

下一代高速原子力显微镜的开发和生物分子的详细动态行为分析

基本信息

批准号：
20H00327
负责人：
古寺哲幸
金额：
$ 28.54万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年は、昨年度までに開発に成功していた高速振幅計測器を実用化するために、広帯域の電子回路の製作得意とする企業とともに更なる広帯域化と操作性を向上させた電子回路を共同開発した。自作したものの帯域の数倍の高速化が見込まれている。また、昨年度までに開発していた超小型高速カンチレバーの変位をより精密に計測するために、変位計測のためのレーザースポットの微小化に取り組んだ。レーザースポット径を精密に計測する手法を開発し、レーザーダイオード、コリメーションレンズ、対物レンズを検討することで、従来のスポット径の21%程度にまでスポット径を微小化することができた。さらに、昨年度までに考案していた逆伝達関数法とアクティブダンピング法を組み合わせた電子回路（共振コントローラー）では、Zスキャナーの共振周波数とQ値を一緒にコントロールできることが実証できたため特許出願を行った（特願2022-141581）。また、開発途中の次世代型高速AFMを用いて、バイオ応用研究を進めた。たとえば、慢性腎臓病や骨粗鬆症などに関与するビタミン D 代謝酵素の過剰発現を抑えるために、ビタミン D 代謝酵素とDNAアプタマーの複合体の観察に成功した（ACS applied materials & interfaces誌）。また、新規のゲノム編集タンパク質CRISPR-Cas3が、狙ったDNA配列周辺のDNAを大規模に切断する様子の直接観察に成功した（Nat. Commun.誌）。その他にも、微小管結合タンパク質であるEB1とSka1の複合体（J. Biol. Chem.誌）、アクチン結合タンパク質であるRng2がミオシンIIの運動の下げること（Life Science Alliance誌）などを明らかにした。これにより開発した顕微鏡装置の性能を示すとともに、生物学的に意義深い新知見を得ることができた。

今年，为了将成功开发的高速幅度测量仪器与一家专门用于宽带电子电路生产的公司相结合，该公司共同开发了一个电子电路，该公司具有更大的带宽和提高可操作性。预计乐队的增加速度将比原始乐队快几倍。此外，为了更精确地测量直到去年开发的超紧凑型高速悬臂的位移，我们一直在努力将激光位点微型化，以进行位移测量。通过开发一种精确测量激光点直径并检查激光二极管，准直透镜和客观镜头的方法，该点直径已降低至常规点直径的21％。此外，我们已经提交了专利申请，因为它能够证明Z扫描仪的共振频率和Q值可以与电子电路（共振控制器）一起控制，该电子电路（共振控制器）结合了逆传输函数方法和主动阻尼方法，该方法已直到去年（日本PATENT PATENT AMPARE NO. 20222-141581）。此外，使用正在开发的下一代高速AFM进行了生物应用研究。例如，我们成功地观察到了一种维生素D代谢酶和DNA适体的复合物，以抑制参与慢性肾脏疾病和骨质疏松症的维生素D代谢酶的过表达（ACS应用材料和界面）。此外，我们已经成功直接观察了新型基因组蛋白CRISPR-CAS3如何在目标DNA序列周围大规模裂解DNA（Nat。Commun。杂志）。其他研究还揭示了微管结合蛋白EB1和SKA1的复合物（J.Biol。Chem。），肌动蛋白结合蛋白RNG2降低了肌球蛋白II的运动（J. Life Science Alliance）。这证明了开发的显微镜设备的性能，还提供了新的生物学上有意义的发现。

项目成果

期刊论文数量（84）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Self- and Cross-Seeding on α-Synuclein Fibril Growth Kinetics and Structure Observed by High-Speed Atomic Force Microscopy

通过高速原子力显微镜观察α-突触核蛋白原纤维生长动力学和结构的自播种和交叉播种

DOI：
10.1021/acsnano.0c03074
发表时间：
2020
期刊：
ACS Nano
影响因子：
17.1
作者：
Takahiro Watanabe-Nakayama;Maika Nawa;Hiroki Konno;Noriyuki Kodera;Toshio Ando;David B Teplow;Kenjiro Ono
通讯作者：
Kenjiro Ono

相分離生物学の全貌（現代化学増刊46)、「66 高速原子間力顕微鏡」を古寺哲幸、今井大達で執筆

相分离生物学的完整概述（现代化学特别版46），“66高速原子力显微镜”作者：Tetsuyuki Furudera和Daitatsu Imai

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
白木　賢太郎
通讯作者：
白木　賢太郎

高速AFMによる100-nmサイズの分子集団の直接観察

使用高速 AFM 直接观察 100 nm 大小的分子群

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
M. S. Alam;T. Shirokawa;T. Ichikawa;K. Miyazawa;C. M. Franz and T. Fukuma;古寺哲幸
通讯作者：
古寺哲幸

High-speed AFM visualizes translational GTPase factor pool formed around the ribosomal P-stalk

高速 AFM 可视化核糖体 P 柄周围形成的翻译 GTP 酶因子池

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
今井大達;内海利男;古寺哲幸
通讯作者：
古寺哲幸

Dynamics of Target DNA Binding and Cleavage by Staphylococcus aureus Cas9 as Revealed by High-Speed Atomic Force Microscopy

高速原子力显微镜揭示金黄色葡萄球菌 Cas9 靶标 DNA 结合和切割的动力学

DOI：
10.1021/acsnano.2c10709
发表时间：
2023
期刊：
ACS Nano
影响因子：
17.1
作者：
Puppulin Leonardo;Ishikawa Junichiro;Sumino Ayumi;Marchesi Arin;Flechsig Holger;Umeda Kenichi;Kodera Noriyuki;Nishimasu Hiroshi;Shibata Mikihiro
通讯作者：
Shibata Mikihiro