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論文 |
論文
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内橋, 貴之 ; Uchihashi, Takayuki
概要:
金沢大学理工研究域数物科学系<br />昨年度までに開発した高速AFMインタラクティブモードの応用研究を進めた。具体的には、インタラクティブモードによりクラミドモナス鞭毛の軸糸微小管を部分破壊し、それによる微小管の崩壊を観察することで、微小
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管内部の結合タンパク質が微小管の構造を安定化していることを明らかにした。また、超分子ポリマーの部分切断と再重合過程や酸化還元酵素であるペルオキシレドキシンの高分子複合体の構造解析に関する研究にも応用した。これらにより、インタラクティブモード高速AFMがタンパク質の分子動態の操作だけでなく、分子複合体の部分破壊を利用した堅さ計測や構造解析に利用できることがわかった。分子動態の観察によって分子の柔らかさと機能の関係を明らかにすべく、分子シャペロンClpBのイメージングを行った。ATPの結合と加水分解に依存したClpB六量体リング構造の柔軟な形状変化が観察された。様々な変異体解析により、六量体リング構造の切断と回復などのダイナミックな構造変化がClpBシャペロン機能に重要であることを明らかにした。<br />研究課題/領域番号:26102515, 研究期間(年度):2014-04-01 – 2016-03-31
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内橋, 貴之 ; Uchihashi, Takayuki
概要:
金沢大学理工研究域数物科学系<br />昨年度までに開発した高速AFMインタラクティブモードの応用研究を進めた。具体的には、インタラクティブモードによりクラミドモナス鞭毛の軸糸微小管を部分破壊し、それによる微小管の崩壊を観察することで、微小
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管内部の結合タンパク質が微小管の構造を安定化していることを明らかにした。また、超分子ポリマーの部分切断と再重合過程や酸化還元酵素であるペルオキシレドキシンの高分子複合体の構造解析に関する研究にも応用した。これらにより、インタラクティブモード高速AFMがタンパク質の分子動態の操作だけでなく、分子複合体の部分破壊を利用した堅さ計測や構造解析に利用できることがわかった。分子動態の観察によって分子の柔らかさと機能の関係を明らかにすべく、分子シャペロンClpBのイメージングを行った。ATPの結合と加水分解に依存したClpB六量体リング構造の柔軟な形状変化が観察された。様々な変異体解析により、六量体リング構造の切断と回復などのダイナミックな構造変化がClpBシャペロン機能に重要であることを明らかにした。<br />研究課題/領域番号:26104514, 研究期間(年度):2014-04-01 – 2016-03-31
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内橋, 貴之 ; Uchihashi, Takayuki
概要:
名古屋大学 / 金沢大学理工学域数物科学系<br />Kaiタンパク質の動的相互作用： KaiCのリン酸化状態に依存してKaiAとの相互作用が概日周期的に変動することを見出した(Phase Dependent Differential Af
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finity: PDDAと名付けた )。KaiCのリン酸化概日周期について、実験で得られたパラメーターを用いて数理シミュレイションを行い、PDDAが概日周期にどのような影響を及ぼすのかを調べた。PDDAが無い場合には、KaiAとKaiCの濃度比が変動すると概日周期が消失するのに対して、PDDAがある場合には概日周期が維持される濃度比が3倍程度大きくなった。このことから、PDDAは細胞内でのタンパク質濃度の揺らぎに対するKaiシステムの頑強性に寄与していることが明らかになった。また、温度制御下でKaiA-KaiCの相互作用を調べたところ、25-29℃の温度範囲では動的親和性に大きな変化は見られえず、30℃以上では、KaiAとKaiCの親和性が大きく変化することがわかった。プロテアソームα7ホモ14量体のα６による2ステップ解体過程：領域内共同研究としてプロテアソーム構成タンパク質α7ホモ14量体がα6により解体される過程を観察した。α7-14量体をアミノシランで化学修飾したマイカに強固に吸着させると14量体が自発的に7量体に分離する様子が見られた。さらに，α7-7量体リングの中心孔にα6サブユニットが結合・解離を繰り返し、時間経過とともにα6が中心孔に強固に結合することが分かった。また、積層した７量体リング間に隙間が経時的に生じ、そこにα6が結合する様子が観察された。これらのことから、α7-14量体のα6サブユニットによる解体は、リング積層間隙へのα6の結合と解離、７量体リング中心孔へのα6の強固な結合によるダブルリングの再生阻止の２段階の過程を経ていることを明らかにした。<br />研究課題/領域番号:16H00758, 研究期間(年度):2016-04-01 – 2018-03-31
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渡邉, 信嗣 ; Watanabe, Shinji
概要:
金沢大学バイオAFM先端研究センター<br />研究課題/領域番号:16H00799, 研究期間(年度):2016-04-01 – 2018-03-31
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内橋, 貴之 ; Uchihashi, Takayuki
概要:
名古屋大学 / 金沢大学理工学域数物科学系<br />１．イオンポンプロドプシンの多量体構造の決定: 様々な微生物型ロドプシンを高速AFM法と円二色性(CD)分光法により網羅的に解析し、脂質膜に再構成された状態での多量体構造を決定した。高速
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AFM観察により、GR、KR2、FR、KrActR、QsActR等の真性細菌で見出された微生物型ロドプシンはリング状の5量体を形成しており、GPRは５量体と６量体が共存していることがわかった。また、センサリーロドプシンであるSRII、ハロロドプシンNpHRなどの古細菌型ロドプシンは三量体であることがわかった。一方、内向きH+ポンプであるPoXeRやセンサリーロドプシンASRは真性細菌で発見された微生物型ロドプシンであるが、アミノ酸残基の相同性からは古細菌型に分類され、実際多量体構造は三量体であった。また、CD分光で観察される三量体と五量体に特徴的なスペクトルは多量体構造に依存したレチナールの配向で説明できることもわかった。これらの結果から、微生物型プロドプシンの多量体構造は進化系統樹と深く関わっている一方、イオンポンプのイオン種や向きと相関がないことがわかった。2．KR2の光誘起構造変化の観察の観察: 外向きNa+ポンプであるKR2の光誘起による構造変化の観察に向けて、KR2五量体の観察面の決定およい高解像観察に適した試料の調製を行った。野生型に比べて光サイクルが100以上遅いN112A変異体を高解像観察しながら、周期的な光照射を照射したが明瞭な構造変化は観察できなかった。このことから、BRとは異なり、KR2の光サイクル中には大規模な構造変化は起きていない可能性が示唆された。<br />研究課題/領域番号:16H00830, 研究期間(年度):2016-04-01 – 2018-03-31
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高橋, 康史 ; Takahashi, Yasufumi
概要:
金沢大学ナノ生命科学研究所<br />畜電池の高速充放電の実現には、電池材料の反応メカニズムの詳細な理解が求められている。放射光技術によるオペランド計測がこのような充放電過程における準安定構造の存在を証明したが、これらの影響と電池特性を結び
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つけるには、通常の電気化学計測法では時空間分解が課題である。これまで開発してきたナノ電気化学セル顕微鏡（NanoSECCM）は、ナノピペットを利用して電池構造をナノ空間で再現し、イオンの挿入脱離に伴う電流を測定する。本手法を用いて、これまで得ることのできなかった高速充放電中に生じる固/液界面、固/固界面での変化を理解する。本年度は、サイクル特性向上のために、コバルト酸リチウム（LCO）表面に形成したZrO2の酸化物層の被覆形態と電気化学特性の関係をSECCMにより評価した。LCO薄膜電池上に、ZrO2の酸化物層をパルスレーザーデポジション法（PLD）により形成した。ZrO2の厚みは、PLDの成膜時間により調整した。未被覆、30秒被覆、180秒ZrO2をそれぞれ製膜したでLCO薄膜電池に関して、SECCMイメージングを行った。レート特性とサイクル特性に優れたZrO2の30秒被覆の試料において、電気化学イメージングを行うと、未被覆と180秒被覆では見られなかった島状の不均一な電流イメージを得ることができた。これは、ZrO2の厚さに不均一性があり、島状に電流応答の低い部分が見られたと考えられる。このZrO2が厚い領域では、LCO表面をZrO2がしっかり保護することでサイクル特性を良好に保つことができたと考えられる。一方、ZrO2の薄い部分が存在することで、レート特性をある程度維持できていたものと考えられる。このようにこれまで可視化することができなかった酸化物層による電池表面の不均一性をSECCMにより可視化することに成功した。<br />研究課題/領域番号:16H00885, 研究期間(年度):2016-04-01 – 2018-03-31
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吉田, 靖雄 ; Yoshida, Yasuo
概要:
金沢大学理工学域数物科学系<br />極低温走査トンネル顕微鏡を用いて金の(111)面で広いエネルギー領域での準粒子干渉（QPI）計測を行い，このデータに対してLASSOによる解析を行い，QPIの真髄である電子の分散関係に対して同様な解析を
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行った．まずは，LASSOによってどの程度ノイズが除去されるかを調べるために，データを間引かずに解析を行った．その結果，従来的FTよりもノイズが下がり，細い線幅の二次曲線が得られた．次に，実空間でランダムにデータを減らした解析も行い，単一エネルギーで行った場合と同じような結果が得られるかどうかの検証を行なった．その結果，ランダムにデータを間引いてもどうようの二次曲線が得られることがわかった．さらに，既存のデータをダウンサンプリングした数値解析だけではなく，ランダムQPI計測プログラムを作成し，異なる条件（測定時間，測定領域の広さ）におけるランダムQPI計測を金の(111)面で行った．その結果に対し，まずは，従来的な最小二乗法による解析を行い，エネルギー分散の見積もりを行なった．その結果，測定範囲を広げることで，分散の線幅が細くなり，実計測においても波数空間の高精度化が行えることが明らかになった．この結果は， 実質的に計測の高速化が行えることも示唆している．これらのデータに対して，LASSOによる解析を行い，ノイズの十分に除去された高分解の分散曲線が得られるかどうかの検証を行っている．<br />研究課題/領域番号:16H01534, 研究期間(年度):2016-04-01 – 2018-03-31
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髙橋, 康史 ; Takahashi, Yasufumi
概要:
金沢大学新学術創成研究機構ナノ生命科学研究所<br />正極材料/全固体電池での界面抵抗の解明を目的としたイオン伝導度のイメージング、充放電特性、サイクル特性の評価を行う。本研究では、電気化学シグナルを利用したポジショニング技術、ナノスケー
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ルの電気化学計測に特有の高速・高感度な電気化学計測の原理、0.2 pAの低ノイズ計測を実現する独自の電気化学計測システムなど、申請者が開発したシステムをベースし、そのシステムの改良を行った。従来の大気環境だけでなくグローブボックス内での計測が可能なシステムの開発、固体電解質プローブの開発、電子伝導度・イオン伝導度同時イメージングに向けたプローブの開発、イメージングの解像度の向上を図った。<br />In this study, we developed new scanning probe microscopy for electrochemical imaging of the cathode/solid electrolyte interface resistance.The new microscope is based on the positioning technology using electrochemical signals, principle of high-speed, high-sensitivity electrochemical measurement of nanoscale electrochemical measurement, and low noise electrochemical system. We developed the electrochemical imaging system that can measure not only in the atmospheric environment but also inside the glove box. We also developed solid electrolyte probes and electron conductivity / ion conductivity simultaneous imaging probes and improved the resolution of imaging.<br />研究課題/領域番号:15K13263, 研究期間(年度):2015-04-01 - 2017-03-31
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髙橋, 康史 ; Takahashi, Yasufumi
概要:
生細胞の界面で生じる膜輸送のメカニズムの解明は、生物学的な知見にとどまらず、ドラックデリバリーや遺伝子導入の高効率化への付与が期待できる。本研究では、ダイナミックに起こる膜輸送を、ナノ電極（半径10-100 nm）をセンサーとして、電流値の
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変化として捉えた。電気化学測定は、化学物質の拡散現象を定量的に捉えるため、固液界面の物質輸送の評価に大変有効であり、ナノ電極と電極の細胞表面でのポジショニングシステムの開発より、細胞膜界面の輸送過程の定量評価およびタイムラプスイメージングを行った。<br />Chemical transport on the cell membrane is important issue for developement of drug delivery system and improvement of gene transfection. In this study, the dynamic cell surface fluctuation was detected or visualised by using nano electrode. The electrochemical measurement is effective for evaluation of mass transfer on liquid/solid interface. I developed fabrication method of nanoelectrode and nanopositioning system for quantitative analysis and time-lapse imaging of mass transfer on cell membrane.<br />研究課題/領域番号:24710140, 研究期間(年度):2012-04-01 - 2014-03-31
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渡邉, 信嗣 ; Watanabe, Shinji
概要:
金沢大学新学術創成研究機構ナノ生命科学研究所<br />光の回折限界を超える液中ナノ領域で起きている生命現象のありのままを可視化する技術を創出できれば、生命科学に計り知れない進展をもたらすであろう。本研究では、現在の技術では計測困難な、液中
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環境における柔らかく、かつ脆弱なナノ構造上の現象を高い時空間解像度で捉える技術の開発を目指した。結果としては、先端にナノポアを有するナノピペットを探針とする非侵襲的走査プローブ技術である走査型イオン伝導顕微鏡（SICM）の時空間解像度を従来よりも桁違いに向上する基盤技術の開発に成功した。10nm以下の構造を1秒/画面より高速に撮影可能であり、時間分解能は既存技術の限界を100倍以上更新した。<br />We have succeeded in capturing topographic images of samples located in liquid environments from over 10 um scale down to the sub-10 nm scale within a few seconds.Clearly resolved images of biological samples with sub-10-nm vertical and lateral structures demonstrate the capability of scanning ion conductance microscopy for imaging actions in biological systems with high spatial resolution.<br />研究課題/領域番号:26790048, 研究期間(年度):2014-04-01 - 2017-03-31
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安藤, 敏夫 ; Ando, Toshio
概要:
金沢大学新学術創成研究機構ナノ生命科学研究所<br />三つの課題に取り組んだ。課題1では、既に確立した高速AFMを利用して多様な蛋白質系で起こる動的プロセスを観察し、機能メカニズムに迫るとともに、従来技術では困難な天然変性蛋白質の構造解析
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が高速AFMで可能であることを実証した。課題2では、振動を起こさずに広域を高速走査する技術やイメージング中に試料を操作可能なインターラクティブ高速AFMを開発し、その有効性を実証した。また、カンチレバー走査方式の高速AFMと蛍光顕微鏡との複合機を開発し、蛍光像と高速AFM像の同時取得を実現した。課題3では、非接触観察可能な走査型イオン伝導顕微鏡の高速化に向け要素技術を開発し、約100倍の高速化に成功した。<br />We worked on three subjects. In subject 1, we elucidated the functional mechanism of various protein systems by observing their dynamic processes using high-speed AFM (HS-AFM) that we had established before. Besides, we demonstrated that HS-AFM can analyze the structure of intrinsically disordered proteins that are difficult to analyze with conventional methods. In subject 2, we developed fast/wide-area scanning techniques without generation of unwanted vibrations and an interactive HS-AFM technique that can manipulate the sample during imaging. The usefulness of these new techniques were demonstrated. In addition, we developed cantilever-scan type of HS-AFM combined with fluorescence microscopy, and thereby, made it possible to capture HS-AFM and fluorescence images simultaneously. In subject 3, we developed high-speed scanning ion conductance microscopy that can image the sample without contact with the sample. The imaging speed reached a level 100-times faster than before.<br />研究課題/領域番号:24227005, 研究期間(年度):2012-04-01 - 2017-03-31
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新井, 豊子 ; Arai, Toyoko
概要:
本研究は、独自開発した電圧印加非接触原子間力顕微鏡/分光法(Biasnc-AFM/S)を発展させ、試料表面上の原子と探針先端原子との間の結合形成の過程・電子状態の変化を明らかにすることを目的とした。このために高感度力センサーの開発、電子回路
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の高感度化により探針試料間相互作用力、電流、エネルギー散逸の高感度同時計測を実現した。シリコン-シリコン原子間の共有結合力は、局所電子状態密度に強く依存していることを明らかにした。<br />The purpose of this study was to reveal the formation process of bonding state between an atom of a sample surface and an atom at the tip apex of atomic force microscopy(AFM) using our developing bias-voltage non-contact atomic force microscopy/spectroscopy(bias nc-AFM/S). Towards this purpose we developed a force sensor with a high sensitivity, improved our electronic control system for the bias nc-AFM/S, and performed simultaneous measurements with high sensitivities of force, electric current and energy dissipation between the sample and the nc-AFM tip. Through this study we concluded that the covalent bond formation between a Si atom and a Si atom strongly depends on their local electronic density of states(LDOS).<br />研究課題/領域番号:20310058, 研究期間(年度):2008-2011
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論文 |
論文
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新井, 豊子 ; Arai, Toyoko
概要:
本研究では、我々が独自に開発した「表面局在相互作用分光法」を活用して、固体表面上に形成された電子・光デバイスとして機能をもつ単一分子の構造とその結合状態・電子状態を原子スケールで解析することを目的とした。表面局在相互作用分光法は、非接触原子
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間力顕微鏡(nc-AFM)を利用するナノ力学的分光法である。原子間力顕微鏡の探針と試料間に印加された電圧がもたらすフェルミ準位の変化を利用したナノ構造と界面の物性評価法を確立する。超高真空走査型相互作用分光顕微鏡の高感度化と共に、超高真空極低温環境で動作する走査型相互作用分光顕微鏡を開発した。また、従来のカンチレバーに変わる高感度力センサーの開発に向けて、市販のチューニングフォーク型と長辺振動型水晶振動子センサーを試験した。さらに、東北大学との共同研究で、水晶Z板を用いて、屈曲振動させるタイプと、伸縮振動させるタイプの水晶振動子力センサーを設計・試作した。清浄Si探針先端にGeを蒸着して特異なファセット構造をもつGeクラスターを成長させ、そのクラスターの頂点を探針として利用する。探針を大気中AFMでGeクラスター探針を用いたところ、未処理のSi探針に比べて像の解像度が改善した。また、Geクラスター探針を摩滅させた後、超高真空中で500口に加熱すると再び先端にクラスターが成長した。Geクラスター探針は安定なファセット面で囲まれているため非常に安定な構造であり、加熱により再生能力があり、何度でも同じ電子状態の探針を作れることが示唆された。清浄なSi(111)-7x7にπ共役系分子である4,4" -diamino-p-terphenyl(DAT)を超高真空中で蒸着し、その吸着状態を調べた。また、現実デバイスとの整合性を取るため、原子レベルで平坦なエピタキシャル成長ITO薄膜を単結晶YSZ基板上に形成し、ITO/YSZ基板上への機能性分子の成膜を試みた。ITO基板をアミノ化し、両端にアルデヒド基を持つπ共役系分子と反応させる。<br />The purpose of this study is to analyze the structures, binding states and electronic states of functional single molecules with potential for opto-electronic devices fabricated on solid surfaces by bias-voltage non-contact atomic force spectroscopy (bias nc-AFS), invented by ourselves. The bias nc-AFS is a nanomechanical spectroscopy based on scanning probe microscopy (SPM). Our aim is also to establish this method to evaluate nano-structures using the energy shift of Fermi level induced by applying and sweeping the bias voltage between a tip and a sample.Here we developed ultra-high vacuum (UHV) bias nc-AFM/S together with improvement of the method, and aimed at developing of force sensors based on a commercial quartz tuning fork. In addition, we experimentally designed and fabricated a bending type and a stretching type of quartz force sensors in cooperation with a group in Tohoku University.Furthermore, we grew Ge clusters on a clean Si tip as a functionalized AFM tip. The clusters have specified facetted structures owing to a strained growth with lattice mismatch. Then the corner surrounded with the facets becomes sharper that is applicable to a well-defined scanning tip. We tried to obtain AFM images with it using a commercial AFM. Consequently, the spatial resolution was improved by using the Ge cluster tip compared with that using an uncovered Si tip. After wearing the tip we heated the worn Ge cluster tip in UHV, resulting in resharpening the tip apex with remolding a Ge cluster. Since the facet structure of a Ge cluster on Si is very stable, we resharpened it many times by heating, implying that we acquire a way to reproduce a tip having the same electronic states on the tip apex.We deposited it -conjugated molecules of 4,4"-diamino-p-terphenyl (DAT) on Si(111)7x7 in UHV, and examined their adsorption states using SPM.<br />研究課題/領域番号:17310069, 研究期間(年度):2005-2007<br />出典：「共鳴的相互作用を利用した1分子の力学・電子物性計測」研究成果報告書 課題番号17310069 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）) 本文データは著者版報告書より作成
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論文 |
論文
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村越, 道生 ; Murakoshi, Michio
概要:
細胞膜電位コントロールデバイスを開発し，これを用いてプレスチンを発現させた培養細胞の電気特性計測及び単離細胞膜表面の微細構造観察を試みた．その結果，デバイス基板の微小孔（直径約2 um）上に，細胞をポジショニングすることに成功し，細胞膜表面
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の詳細構造の可視化にも成功した．さらに，デバイス基板の微小孔上に，人工脂質膜を作製することを試み，脂質膜形成後にギガオームシールが形成されることが確認された．このことは，当該デバイスで脂質膜中に再構成したタンパク質の変形挙動を可視化できる可能性を示唆している．今後，得られた知見を基に，プレスチンの変形挙動の可視化に取り組む．<br />A cell membrane potential control device was developed. Using this device, the microstructure and electrophysiological properties of prestin-expressing culture cells were investigated. A cell was successfully positioned on a micropore of the device (about 2 um in diameter) and the microstructure of the cell surface was visualized. In addition, an artificial lipid bilayer was created on the micropore, resulting in the formation of a gigaohm seal. These results suggest that it may be possible to visualize protein reconstituted in the lipid bilayer by using this device. Based on these findings, further research to visualize the conformational change of prestin will be performed.<br />研究課題/領域番号:24791739, 研究期間(年度):2012-04-01 - 2014-03-31
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