Development of microscopy techniques to simultaneously visualize the dynamics of the structure and local physical properties of a single protein

开发显微镜技术以同时可视化单个蛋白质的结构动态和局部物理特性

• 批准号: 22K18943
• 负责人: 内橋 貴之
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18943/
• 关键词: 高速原子間力顕微鏡; 一分子計測; タンパク質; 物性; 機械特性; 電荷分布; 一分子; 局所物性; ダイナミクス

本研究の目的は、溶液環境にある生体分子の構造と同時に、機械特性や電荷などの物性分布とそれらの時空間ダイナミクスを、1 nm以下の空間分解能、100 ms以下の時間分解能で可視化できるマルチモーダル単一分子イメージング技術を開発することである。具体的には、高速AFMイメージング中にプローブ-試料間の力学的相互用を全て記録し、そこから試料の局所物性をリアルタイムに抽出する技術を開発する。本年度は赤外レーザー光によるカンチレバーの非共振振動ための準備を行なった。まず現行の赤色レーザーによるカンチレバーの変位検出レーザーに加えて、励振用のパワー変調赤外レーザーを導入できるよう高速AFMに取り付ける治具を製作した。また、フォースボリュームイメージングに向けて、高速AFMイメージングのための走査信号とカンチレバーの振動を同期させて、画像の各ピクセルでカンチレバーが一回だけ振動するような制御ソフトウェアを実装した。次に、フォースカーブの大量取得に向けた測定システムの検討を行ない、デジタルオシロスコープによるデータ取得とPCへの転送が最適であるとの結論に至り、予備的実験を進めるためにデジタルオシロスコープを用いて高速AFMとフォースボリューム計測を組み合わせたシステムを構築した。このフォースボリューム計測によりモデル脂質膜での凝着力と硬さの分布を3s/frameのイメージング速度で計測することができた。

这项研究的目的是可视化溶液环境中生物分子的结构，以及机械特性和电荷等物理特性的分布，以及它们的时空动力学，空间分辨率为1 nm或更小，时间分辨率为 100 毫秒或更小，目的是开发模态单分子成像技术。具体来说，我们将开发一种技术，记录高速 AFM 成像过程中探针与样品之间的所有机械相互作用，并实时提取样品的局部物理特性。今年，我们利用红外激光为悬臂梁的非共振振动做了准备。首先，除了当前检测悬臂位移的红色激光器之外，我们还创建了一个夹具将其连接到高速 AFM，以便我们可以引入功率调制红外激光器进行激发。此外，对于力体积成像，我们实现了控制软件，将高速 AFM 成像的扫描信号与悬臂的振动同步，使得悬臂对于图像的每个像素仅振动一次。接下来，我们研究了用于获取大量力曲线的测量系统，并得出结论，使用数字示波器采集数据并将其传输到 PC 是最佳选择。为了进行初步实验，我们决定使用我们构建了一个结合了高速 AFM 和力体积测量的系统。使用这种力体积测量，我们能够以 3 秒/帧的成像速度测量模型脂质膜中的粘附力和硬度的分布。