2022-06-14 金沢大学,科学技術振興機構
金沢大学 ナノ生命科学研究所の炭竈 享司 特任助教（ＪＳＴ さきがけ研究員）、福間 剛士 教授、同研究所 海外主任研究者でアールト大学（フィンランド）のアダム・フォスター 教授らの共同研究グループは、３次元原子間力顕微鏡像を予測する新たなシミュレーション手法を開発することに成功しました。
生体分子は細胞内の溶液中で３次元構造を取りながらも動いており、動くことによってそれらの分子は機能しています。この機能により私たちの身体は維持され、生きています。従来の観測手法では溶液中で動いている生体分子の３次元構造を計測することは困難ですが、それを可能にし得る計測技術の1つが３次元原子間力顕微鏡です。しかし、生体分子のような柔らかくて動いている分子が３次元原子間力顕微鏡では“どのような像”として見えるのかを理論的に予測する手法はこれまでありませんでした。
本研究ではまず、染色体を模した高分子と原子間力顕微鏡のセンサー（探針）からなるモデルを構築し、ジャルジンスキー等式を用いて探針が高分子から受ける力を計算することで、生体分子の３次元原子間力顕微鏡像を理論的に予測する新たなシミュレーション手法を開発しました。その結果、ひも状の高分子は水中で動いていても、確かにひものような形状の３次元の像として描き出されることが分かりました。また本手法を用いたシミュレーションにより、３次元原子間力顕微鏡の実測における最適な実験条件の算出も可能となりました。さらに、今回開発したシミュレーション手法を用いることにより、これまで３次元原子間力顕微鏡で実測されている代表的な生体高分子であるアクチン繊維の３次元原子間力顕微鏡像を再現よくシミュレーションすることにも成功しました。
これらの知見は、３次元原子間力顕微鏡像の実測値からさまざまな生体分子の構造を求める手法の開発に活用されると期待されます。
本研究成果は、２０２２年６月９日（米国東部時間）に米国科学誌「Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ」のオンライン版に掲載されました。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）「ゲノムスケールのＤＮＡ設計・合成による細胞制御技術の創出」研究領域（研究総括：塩見 春彦）における研究課題「シミュレーションによる染色体の動態解明と実測との比較」（課題番号：ＪＰＭＪＰＲ２０Ｋ６、研究者：炭竈 享司）、未来社会創造事業 探索加速型（探索研究）「革新的な知や製品を創出する共通基盤システム・装置の実現」研究領域（運営統括：長我部 信行）における研究課題「３次元揺動構造のサブナノレベル計測・解析システム」（課題ＩＤ：１８０７７２７２、研究代表者：福間 剛士）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（課題番号：２０Ｈ００３４５、１９Ｋ２２１２５）、文部科学省 世界トップレベル研究拠点プログラム（ＷＰＩ）、金沢大学 ナノ生命科学研究所 融合研究推進グラント、フィンランドアカデミー（課題番号：３１４８６２）、および分子科学研究所の計算機センターの支援を受けて実施されました。
＜論文タイトル＞
- “Computed three-dimensional atomic force microscopy images of biopolymers using the Jarzynski equality”
- ＤＯＩ：10.1021/acs.jpclett.2c01093
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
炭竈 享司（スミカマ タカシ）
金沢大学 ナノ生命科学研究所 特任助教
福間 剛士（フクマ タケシ）
金沢大学 ナノ生命科学研究所 所長・教授
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
保田 睦子（ヤスダ ムツコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 ライフイノベーショングループ
＜報道担当＞
米田 洋恵（ヨネダ ヒロエ）
金沢大学ナノ生命科学研究所事務室
科学技術振興機構 広報課
