研究領域の現状 227
飯 野 亮 太（教授） （2014 年 6 月 1 日着任）
A -1) 専門領域：生物物理学，タンパク質科学，１分子計測
A -2) 研究課題：
a) 回転分子モーター V -A T Pase のエネルギー変換機構の解明 b) リニア分子モーターセルラーゼのエネルギー変換機構の解明
A -3) 研究活動の概略と主な成果 a) 腸内連鎖球菌由来 Na
+
輸送性 V -A T Pase（E hVoV1）は，A T P 加水分解反応のエネルギーで回転運動することで Na
+
イオンを能動輸送する分子モーターである。E hVoV1の大腸菌における発現系を初めて構築した。これにより，変異 体作製や１分子計測に必要な固定用タグの導入の効率が大幅に改善された。この改変試料を用いて E hVoV1の１分 子回転観察系を確立し，回転速度とトルクの計測に成功した。可溶性の単離 E hV1の回転速度やトルクと比較するこ とで，E hVoV1では固定子と回転子の相互作用がペリフェラルストークにより安定化され回転が安定化し，単離 E hV1
よりも高いトルクを発生することが明らかとなった。
b) Trichoderma reesei 由来 cellobiohydrolase I（TrCel7A）は結晶性セルロースを加水分解しながら連続的に直進運動す る分子モーターである。蛍光色素 C y3 で標識したTrCel7A を調製して１分子蛍光観察を行った。これにより，結晶 形の異なるセルロースIαとセルロースIIIIへのTrCel7A の結合・解離速度定数を求めて比較することに成功した。 さらに，高速 A F M 観察によるセルロース上での運動速度の比較にも成功した。これらの速度パラメーターを比較し た結果，TrCel7A によるセルロース IαとセルロースIIIIの分解活性の大きな違いは化学反応素過程の速度定数の違
いによるものではなく，セルロース上の加水分解可能なレーン数の違いやTrCel7A の「渋滞」の度合いの違いによ るものであることが明らかとなった。
B -1) 学術論文
H. UENO, Y. MINAGAWA, M. HARA, S. RAHMAN, I. YAMATO, E. MUNEYUKI, H. NOJI, T. MURATA and R. IINO, “Torque generation of Enterococcus hirae V-ATPase,” J. Biol. Chem. 289, 31212–31223 (2014).
T. IKEDA, T. TSUKAHARA, R. IINO, M. TAKEUCHI and H. NOJI, “Motion Capture and Manipulation of Single Synthetic Molecular Rotors by Optical Microscopy,” Angew. Chem., Int. Ed. 53, 10082–10085 (2014).
T. IKEDA, R. IINO and H. NOJI, “Real-Time Fluorescence Visualization of Slow Tautomerization of Single Free-Base Phthalocyanines under Ambient Conditions,” Chem. Commun. 50, 9443–9446 (2014).
Y. SHIBAFUJI, A. NAKAMURA, T. UCHIHASHI, N. SUGIMOTO, S. FUKUDA, H. WATANABE, M. SAMEJIMA, T. ANDO, H. NOJI, A. KOIVULA, K. IGARASHI and R. IINO, “Single-Molecule Imaging Analysis of Elementary Reaction Steps of Trichoderma reesei Cellobiohydrolase I (Cel7A) Hydrolyzing Crystalline Cellulose Iα and IIII,” J. Biol. Chem. 289, 14056–14065 (2014).
H. TAKEHARA, K. MIYAZAWA, T. NODA, K. SASAGAWA, T. TOKUDA, S. H. KIM, R. IINO, H. NOJI and J. OHTA,
“A CMOS Image Sensor with Stacked Photodiodes for Lensless Observation System of Digital Enzyme-Linked Immunosorbent Assay,” Jpn. J. Appl. Phys. 53, 04EL02 (5 pages) (2014).
228 研究領域の現状 B -3) 総説，著書
R. IINO, Y. MINAGAWA, H. UENO, M. HARA and T. MURATA, “Molecular structure and rotary dynamics of Enterococcus hirae V1-ATPase,” IUBMB Life 66, 624–630 (2014).
飯野亮太，中村彰彦，五十嵐圭日子，鮫島正浩 , 「１分子計測からわかるエクソ型セルラーゼの分子機構」, 生物物理 54, 318–320 (2014).
内橋貴之，飯野亮太，安藤敏夫，野地博行 , 「高速 A F M によるF1-A T Pase 分子回転の直接可視化」, 生化学 86, 127–136 (2014). 飯野亮太 , 「デジタル PC R とデジタル E L IS A 」, 「化学フロンティア 23 １分子ナノバイオ計測：分子から生命システムを探る 革新的技術」, 化学同人 , pp. 144–146 (2014).
B -4) 招待講演
R. IINO, “Single-molecule imaging analysis of molecular motors,” The 7th Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences, Seoul (Korea), November 2014.
R. IINO, “Motions of individual biomolecular motors probed by gold nanoparticle and nanorod,” International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters (ISSPIC XVII), Fukuoka (Japan), September 2014.
R. IINO, “Watching and manipulating biomolecules one at a time,” PITTCON 2014 PAI-NET Session: Ultrasensitive Analytical Technologies for Biology and Chemistry, Chicago (U.S.A.), March 2014.
飯野亮太 , 「生体分子モーターを測る，壊す，創る」, シンポジウム「細胞のメゾスケール構造機能」, 京都 , 2014年 12月. 飯野亮太 , 「金ナノ粒子，金ナノロッドを用いた生体分子モーターのマイクロ秒１分子計測」, 新学術領域「柔らかな分子系」 第７回ワークショップ , 岡崎 , 2014年 12月.
飯野亮太 , 「目に見えないとても小さなタンパク質機械の動きを見る」, 日本化学会東海支部「夢・化学−２１高校生のための化 学講座：見えないのを見る化学」, 浜松 , 2014年 11月.
飯野亮太 , 「回るたんぱく質，歩くたんぱく質の仕組みを探る」, 分子科学研究所市民公開講座第１０３回分子科学フォーラム, 岡崎 , 2014年 11月.
飯野亮太 , 「生体分子モーターダイナミクスの１分子計測：構造解析と理論予測との協奏を目指して」, T C C I 第５回研究会． 岡崎 , 2014年 10月.
飯野亮太 , “Importance of membrane pumps and channels: an introduction,” 第５２回生物物理学会年会シンポジウム“Which is important for biophysicists, pump or channel?” 札幌, 2014年 9月.
飯野亮太 , 「１分子計測技術で生体分子マシン，人工分子マシンの“ 動き” を調べる・考える」, 第６３回高分子討論会 S14“ 動 き” のある自己組織化材料：動的応答・変化を示す材料の設計・機能・応用の最前線 , 長崎 , 2014年 9月.
R. IINO, “Single-molecule high-speed imaging of rotary and linear molecular motors,” Andor Academy Kyoto, Kyoto, August 2014.
飯野亮太 , 「細菌多剤排出ポンプ計測マイクロデバイス」, 第９回トランスポーター研究会年会シンポジウム「チャネル・トラン スポーター研究の最前線２（機能評価系・創薬）」, 名古屋 , 2014年 6月.
飯野亮太 , 「D N A を巻き取る分子リール」, 第６６回日本細胞生物学会大会シンポジウム「遺伝情報を司るD N A のふるまい」, 奈良 , 2014年 6月.
飯野亮太 , 「天然ナノモーターと人工ナノローターの１分子ダイナミクス」, 第三回次世代の物質科学・ナノサイエンスを探る. 札幌 , 2014年 1月.
研究領域の現状 229 B -6) 受賞，表彰
R. IINO, Emerging Investigator. Lab on a Chip., The Royal Society of Chemistry, U.K. (2012).
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員等
日本生物物理学会代議員 (2014.1.1–2015.6.31).
日本生物物理学会分野別専門委員（A -13. モータータンパク質） (2014.1.1–2014.12.31). 学会誌編集委員
日本生物物理学会学会誌「生物物理」編集委員 (2014–2015). その他
公益財団法人新世代研究所バイオ単分子研究会委員 (2012.4.2–2015.3).
B -8) 大学での講義，客員
東京大学大学院農学生命科学研究科 , 非常勤講師「生体触媒分子論」, 2014年 6月.
B -10) 競争的資金
科研費基盤研究 ( B ) , 「リニアモータータンパク質糖質加水分解酵素の１ナノメートルステップの１分子計測」, 飯野亮太 (2012 年 –2014年 ).
科研費新学術領域研究「動的秩序と機能」（公募研究）, 「A T P 駆動サイボーグ回転分子モーターの創生」, 飯野亮太 (2014年 –2015年 ).
科研費新学術領域研究「柔らかな分子系」（公募研究）, 「金ナノロッドを用いた分子モーター構造ダイナミクスの高速１分子 計測」, 飯野亮太 (2014年 –2015年 ).
科研費挑戦的萌芽研究 , 「生体・人工ハイブリッドナノモーターの創製」, 飯野亮太 (2012 年 –2013年 ).
科研費新学術領域研究「揺らぎと生体機能」（公募研究）, 「分子モーターの構造揺らぎを調べる超高速配向イメージング法の 開発」, 飯野亮太 (2011年 –2012 年 ).
科研費特定領域研究「高次系分子科学」（公募研究）, 「生細胞内１分子 F R E T 法による回転モータータンパク質のダイナミク ス計測」, 飯野亮太 (2010 年 –2011年 ).
科研費新学術領域研究「揺らぎと生体機能」（公募研究）, 「モータータンパク質の揺らぎと性能の相関を調べる超高速光学顕 微鏡の開発」, 飯野亮太 (2009年 –2010 年 ).
科研費若手研究 ( B ) , 「プロトン駆動力で回転するA T P 合成酵素を１分子技術とマイクロデバイスで可視化する」, 飯野亮太 (2009年 –2010 年 ).
科研費若手研究 (B), 「プロトン駆動力で回転する生体分子モーター A T P 合成酵素の１分子計測」, 飯野亮太 (2006年 –2008年 ). 日本学術振興会二国間交流事業共同研究 , 「生細胞内で働くA T P 合成酵素の回転速度を１分子技術で計測する」, 飯野亮太 (2010 年 –2011年 ).
大阪大学産業科学研究所リーダーシップ支援経費 , 「１細菌培養・観察・回収用マイクロドロップレットアレイの開発」, 飯野 亮太 (2009年 ).
230 研究領域の現状
大阪大学産業科学研究所原子力工学専攻２１世紀 C OE 若手研究 A , 「マイクロ加工技術を駆使した異物排出遺伝子の網羅 的スクリーニング」, 飯野亮太 (2006年 ).
C ) 研究活動の課題と展望
回転分子モーター V -A T Pase に関しては，A T P 加水分解駆動時の Na
+
輸送を伴う回転運動の詳細な解析が今後の課題であ る。また，脂質膜を介するNa
+
の電気化学ポテンシャル（濃度差と膜電位差）で一方向に回転できるのか，さらに回転できる 場合，アップヒルな化学反応であるA T P 合成を触媒できるのか，が今後検証すべき重要な課題である。界面活性剤で可溶 化した試料の計測だけでなく，人工脂質二重膜に埋め込んだ試料の１分子計測にも取り組む。またリニア分子モーターセル ラーゼについては，運動時の結合ドメインと触媒ドメイン間の協調機構の解明が重要な課題である。１分子 F R E T 計測によ りこれらのドメインの距離変化の計測を行うことで機構の解明に取り組む。さらに異種のセルラーゼを混合した際に結晶性セ ルロースの加水分解活性が大幅に上昇する現象，「シナジー効果」の機構解明が重要な課題である。今後は異種のセルラー ゼを同時に１分子観察することによりシナジー効果の仕組みを明らかにする。
