毎秒100フレーム取得可能な高速AFMの開発と実証応用研究

每秒100帧采集的高速AFM开发及示范应用研究

• 批准号: 22H00405
• 负责人: 安藤 敏夫
• 金额: $ 25.71万
• 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: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H00405/
• 关键词: 高速AFM; タンパク質; ダイナミクス; 分子プロセス; バイオイメージング; 低侵襲イメージング; 高速イメージング; 機能動態

代表者が開発した高速AFMは個々の蛋白質分子の動的な構造とプロセスを毎秒10画像（10 fps）前後の速度で直接可視化できる唯一の顕微鏡である。現在高速AFMは世界中で利用されているが、10 fpsでは観察できない動的現象や試料系が未だ多く存在する。本研究は、代表者が最近開発した新X走査法(OTI)の優れた低侵襲性能を、以前開発したダイナミックPIDフィードバック制御法(D-PID)と組み合わせるなどして、更に向上させ、最終的に100 fpsの実現を目指している。初年度である本年度は、OTIとD-PIDの組み合わせ効果を実証することから開始した。まず、D-PID回路を改造して、閾値を使ったフィードバックゲインの自動調整のパラメータ設定を容易にできるようにした。その結果、比較的脆弱なアクチン線維を対象にした場合、OTI単独では25 fps程度が限界であったが、OTIとD-PIDを組み合わせると、40-50 fpsにまでイメージング速度が向上した。この組み合わせが、フィードバック制御のどのような要素を改善するものであるのかを現在定量的に調べている。100 fpsを目指すには、ハードウェア側の更なる高速化に向けた改良も必須だが、主律速因子である微小カンチレバーの更なる微小化（共振周波数の更なる向上）はメーカーの協力なしには進まない。そこで、２つの戦略で進めた。第一は、メーカーとの共同開発、第二は、質量を見かけ上小さくするM値制御法の開発である。前者は開始したが、未だ成果はない。後者はカンチレバーの超音波励振で試み、共振周波数を2 MHz程度まで上げることができた。但し、超音波の水中伝搬による位相遅れの補償は不安定であるため、光励振用の光学系を作製した。装置開発と並行して、今後試す試料系の調製法を検討した。また、共同研究により、その時々の性能の高速AFMを使って応用研究を進めた。

该代表开发的高速AFM是唯一能够以每秒10张图像（10 fps）左右的速度直接可视化单个蛋白质分子的动态结构和过程的显微镜。尽管目前世界各地都在使用高速AFM，但仍然有许多动态现象和样本系统无法在10 fps 下观察到。本研究旨在进一步提高代表人最近开发的新型X扫描方法（OTI）的优异微创性能，通过将其与先前开发的动态PID反馈控制方法（D-PID）相结合来实现目的。 100 fps 的速度。今年是第一年，首先展示了 OTI 和 D-PID 的综合效果。首先，我们修改了 D-PID 电路，使其更容易设置参数，以使用阈值进行自动反馈增益调整。因此，当针对相对脆弱的肌动蛋白纤维时，单独使用 OTI 的速度限制约为 25 fps，但结合 OTI 和 D-PID 将成像速度提高到 40-50 fps。我们目前正在定量研究这种组合改善了反馈控制的哪些要素。为了达到100fps，必须改进硬件方面以进一步提高速度，但作为主要速率限制因素的微悬臂梁的进一步小型化（进一步提高谐振频率）将不会受到影响。如果没有制造商的合作，就不可能取得进展。因此，我们采取了两种策略。第一个是与制造商联合开发，第二个是开发减少表观质量的M值控制方法。前者已经开始，但尚未取得成果。后者尝试使用悬臂梁的超声波激励，并且能够将共振频率提高到 2 MHz 左右。然而，由于超声波在水下传播造成的相位滞后的补偿不稳定，因此制造了用于光激励的光学系统。在设备开发的同时，我们研究了未来待测试的样品系统的制备方法。此外，通过共同研究，我们利用具有当前性能的高速AFM进行了应用研究。

项目成果

High-speed atomic force microscopy in biology

生物学中的高速原子力显微镜

• 发表时间: 2022
• 作者: Matsuo Yoshitaka;Uchihashi Takayuki;Inada Toshifumi;Toshio Ando;Toshio Ando
• 通讯作者: Toshio Ando

液中生物ナノメーター世界の高速観察の実現

实现液体纳米世界中生物体的高速观测

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomomatsu Shota;Watanabe Atsuya;Tesina Petr;Hashimoto Satoshi;Ikeuchi Ken;Li Sihan;Matsuo Yoshitaka;Beckmann Roland;Inada Toshifumi;Toshio Ando;安藤敏夫;安藤敏夫;安藤敏夫
• 通讯作者: 安藤敏夫

高速原子間力顕微鏡の仕組みと応用

高速原子力显微镜机理及应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomomatsu Shota;Watanabe Atsuya;Tesina Petr;Hashimoto Satoshi;Ikeuchi Ken;Li Sihan;Matsuo Yoshitaka;Beckmann Roland;Inada Toshifumi;Toshio Ando;安藤敏夫;安藤敏夫
• 通讯作者: 安藤敏夫

ATP energy usage in biomolecular machinery

生物分子机械中 ATP 能量的使用

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomomatsu Shota;Watanabe Atsuya;Tesina Petr;Hashimoto Satoshi;Ikeuchi Ken;Li Sihan;Matsuo Yoshitaka;Beckmann Roland;Inada Toshifumi;Toshio Ando
• 通讯作者: Toshio Ando

Protein dynamics by the combination of high-speed AFM and computational modeling

• DOI: 10.1016/j.sbi.2023.102591
• 发表时间: 2023-04-17
• 期刊: CURRENT OPINION IN STRUCTURAL BIOLOGY
• 影响因子: 6.8
• 作者: Flechsig，Holger;Ando，Toshio
• 通讯作者: Ando，Toshio