戦略的創造研究推進事業
CREST「ATP/GTP が駆動するタンパク質マシナリーの動的構造生命科学」
さきがけ「新規高速原子間力顕微鏡で解き明かすミオシンVの化学-力学エネルギー変換機構」

第3回

147 ミリ秒

尻尾

ネック

後ろ脚前脚

マイナス端

293 ミリ秒

あんどう とし お

安藤 敏夫（写真右）

アクチン線維プラス端
モータードメイン1

金沢大学 理工研究域 バイオAFM先端研究センター
高速AFM研究開発部門 部門長／特任教授

440 ミリ秒

1980年 早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了。
理学博士。カリフォルニア大学サンフランシスコ校博士研究員、同助手、金沢大学理学部教授、同大学院自然科学研究科教授を経て、2016年より現職。13年よりCREST研究代表者。

587 ミリ秒▲高速AFMの原理
試料の表面をカンチレバーの先端で高速になぞる。
カンチレバーには常にレーザー光が当たっており、その反射光の動きによって表面の形状がわかる。

2

こ でら のりゆき

古寺 哲幸（写真左）金沢大学 理工研究域 バイオAFM先端研究センター
イメージング研究部門 部門長／准教授

734 ミリ秒

2005年 金沢大学大学院自然科学研究科博士課程修了。博士（理学）。
日本学術振興会特別研究員、CREST博士研究員、金沢大学理工研究域助教を経て、11年より現職。13年～17年 さきがけ研究者。

50ナノメートル

金沢発の技術でたんぱく質の構造と動きの直接観察を可能にたんぱく質のうち、力を出したり動いたりと独特に振る舞い、運動や物質の輸送に関わるものを「モーターたんぱく質」と呼ぶ。その分子が生き生きと動く様子を直接動画で見ることができるのは、現在、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）だけである。
その開発を手掛けた金沢大学理工研究域バイオAFM先端研究センターの安藤敏夫特任教授と、装置の高速化に貢献しミオシンV分子が「歩く」姿を捉えた古寺哲幸准教授に話を聞いた。

▲研究室にある高速AFM

3マイナス端ミオシンVがアクチン線維の上を歩く様子
左が高速AFMで観察された画像、右は観察から明らかになったミオシンVの動きのモデル図。
右記のQRコードから、バイオAFM先端研究センター・イメージング研究部門のホームページを開くと、さまざまなたんぱプラス端く質が動く様子を動画で見られる。

ミオシンVが歩く様子を観察できるのではと期待が高まりました」と古寺さんは振り返る。しかし、そう簡単にはいかなかった。と考えている。
高速AFMが今後、特に力を発揮すると安藤さんが考えるのが、安藤さんは次のように述懐する。

遺伝子の転写・翻訳などに関わる天然変性たんぱく質の研究だ。

「やみくもに高速化しようとしていたのが壁にぶつかり、どの部「たんぱく質の中には秩序立った構造を持たないものがありま分を改良すべきか再考しました。1つは振動抑制、もう1つは高す。細いひも状の天然変性たんぱく質もその1つで、エックス速性とたんぱく質への『やさしさ』を両立する技術です」。

線結晶構造解析や電子顕微鏡、核磁気共鳴（NMR）ではうまく試料にかかる力が強すぎるとたんぱく質を傷つけてしまい、見られないため、構造解析が進んでいません。高速AFMなら、弱すぎると凹んだ部分をなぞるときに探針が試料から離れて計ひもが玉になったりほどけたりする動態が見えるのです」。この測不能になってしまう。高速性を保ちつつ、状況に応じた細か変性たんぱく質の動態が明らかになれば、細胞内シグナル伝達い制御を行うところに一番の難しさがあった。の仕組みの詳細な理解につながると期待している。

振動抑制については、古寺さんの発想が突破口となった。

また、精製したたんぱく質ではなく、生体中のたんぱく質の研究者としての夢が開発の原点に顕微鏡だ。同様に探針を用いる走査型トンネル顕微鏡が真空中「ばねの力で滑らかにドアを閉めるクローザーには、振動を抑複雑な働きを直接観察する技術の開発にも取り組んでいる。そでしか使用できないのに対し、AFMでは水溶液中で機能していえるためのダンパー（緩衝器）が入っています。これを応用して、の前段階として、生きた細胞の動態を高解像度で見られるようるたんぱく質分子を直接観察できる。安藤さんは2年半かけてカンチレバーが高速で走査するときの振動を1ナノメートル未に、広範囲を高速で走査する技術を確立しようとしている。ま

生体を構成しているさまざまなたんぱく質は、現在、分子レAFMを自作し、筋肉のモーターたんぱく質を観察してみた。し満に抑えました」と古寺さん。

た、蛍光顕微鏡との同時観察や、光ピンセットでたんぱく質を引っベルでその構造と動態の研究が進められている。今回取り上げかし、分子の構造はよく見えるものの、肝心の動いているとこる高速AFMは、それまで間接的にしか観察できなかった分子の動きを直接見られるようにし、たんぱく質研究の新たなステージを開いた。
「たんぱく質という不思議な物質に魅せられ、生命の仕組みを知りたいと研究してきました。そのための有力な手段を提供でき、みょうり研究者冥利に尽きます」と安藤さん。
高速AFM誕生以前は、たんぱく質分子に光るマーカーをつこうしたさまざまな工夫を重ね高速AFMを改良し、アクチン張ったときの振る舞いを見るなど、観察の自由度を上げられるろが見えない。100ナノメートル四方の撮影に20秒と時間がか線維上のミオシンVを観察したところ、蛍光顕微鏡による研究でように、試料ではなく探針を動かす方法の開発をめざす。高速かりすぎ、分子の動きを捉えられないのだ。そこで安藤さんははわからなかった歩行中の分子の振る舞いや、前進運動のためAFMのほかに、試料に直接触れない高速・高解像度の走査型

1993年ごろから装置の高速化に着手した。の力が発生するメカニズムなどが、次々に明らかになった。
さらに、イオン伝導顕微鏡も今後開発していきたい機器の１つだ。

ミオシンVの動きとエネルギー供給についての新しい知見も得「技術が科学の進歩を促し、世界に影響を与えます。究極の目

ばねで閉まるドアにヒントを得てブレイクスルー
古寺さんが大学4年生で安藤研究室に入った2000年当時にられつつある。
「直接観察」することの強みがここにある。

生体ダイナミクスの解明を目指し、金沢から世界へ

け蛍光顕微鏡で光を追うことでその動きを間接的に捉えていた。

は、観察実験が始められる段階にきていた。先輩から引き継いそのため同じ観察結果について研究者間で解釈が食い違い、論だ装置やプログラムを調整していた古寺さんが、ある日、興奮

この技術を世界に広めようと、2008年には高速バイオAFM争が続いていた。
「現象を直接見ていないから論争が起こる。

気味に安藤さんに報告した。
「動いているのが見えました！ 撮国際コンソーシアムを立ち上げた。国内外の5研究室への装置直接観察できる技術が欲しい」と考えた安藤さんは、スイスでれました！」

提供のほか、製品化を促すため4社とライセンス契約を結んだ。

開発されたAFMに出合う。

そのたんぱく質が細胞内で物質の運び屋として働くミオシン

2010年には学内にバイオAFM先端研究センターを設立し、若AFMはカンチレバーと呼ばれる柔らかい板の先についた微Vである。蛍光顕微鏡での研究から、ミオシンVはアクチン線手研究者のための無料体験会『バイオAFM夏の学校』を毎年細な探針で観察したい試料の表面をなぞり、凸凹をナノ（10億維の上を歩くように動くと考えられていた。
「そのときはミオシ開催している。見たい試料を各自持参して観察するなど、実際分の1）メートル単位で計測。得られた情報をもとに映像化する

ンVが単独で動いているだけでしたが、そばにアクチンを置けば、に体験してもらうことで高速AFMの可能性を肌で感じてほしい12

August 2017

標は細胞の中の様子をナノ解像度、100ミリ秒の速さで観察すること。それが次なる夢なのです」。と安藤さん。古寺さんも師の言葉にうなずきつつ、「たんぱく質の研究も進めますが、これらの計測・観測技術でより広く世界に貢献したいです」とさらなる技術開発へと意欲を見せた。本気で開発に取り組む安藤さんの姿勢は、若い世代に着実に引き継がれている。

観察された回転モーターたんぱく質F1-ATP分解酵素。
構造変化が回転伝搬する様子をリアルタイムで捉えることができる。
TEXT：萩谷美也子／PHOTO：浅賀俊一／編集協力：戦略研究推進部

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