研究活動

生命科学研究分野(光岡研究室)

教授           光岡 薫
講師           井上 加奈子
客員教授         樋田 一徳
特別研究員        中西 温子
招へい教授        青山 一弘

 本研究分野においては、超高圧電子顕微鏡を用いると厚い試料を観察できる特徴を利用して、細胞内の生体高分子やその複合体などの高分解能の構造解析に取り組んでいる。特に高分解能での構造維持に優れた物理固定法である急速凍結を利用して、生体高分子を非晶質の氷の中にそのまま固定し、低温ステージを持つクライオ電子顕微鏡法により高分解能構造解析を行っている。また、化学固定を利用すれば、比較的大きな生体試料について、その一部を切り出して観察することも容易になり、より広い範囲の構造解析を行うことができる。以上のような方法を駆使して、生体高分子の高分解能構造から、その細胞内での構造変化や局在を明らかにすることで、生命科学の基礎的な理解を深めるとともに、生体高分子の工学的応用に向けた研究を行っている。具体的には、以下の研究を進めている。

(1)細胞内などでの生体高分子やその複合体の構造研究


図1. 神経モデル培養細胞内でのアクチン繊維と
ファシンの構造と原子モデル

 クライオ超高圧電子顕微鏡などを用いて、細胞内の生体高分子やその複合体などの構造研究を行っている。例えば、神経モデル培養細胞を用いて、その糸状仮足の形成に関わるアクチン繊維のバンドル化機構の構造学的研究に取り組んでいる。アクチン繊維のバンドル化には、ファシンというタンパク質が関与しているので、図1に示すように、神経モデル培養細胞内でのファシンとアクチン繊維の相互作用を明らかにすることを目指している。また、走査透過電子顕微鏡法(STEM)を用いれば、通常の透過電子顕微鏡法より厚い試料を観察が可能となるので、その技術開発と特徴を活かした応用研究にも取り組んでいる。そして、植物において水枯れ症状を引き起こす難防除細菌の鞭毛構造を解析しエネルギーを必要としない鞭毛運動とその制御機構の解明を基に工学的応用を目指している。


図2. 液胞型ATPアーゼの中心軸の回転に伴う
3つの異なる全体構造

(2)生体高分子やその複合体の高分解能構造研究

クライオ電子顕微鏡を用いると、精製した生体高分子やその複合体の高分解能構造解析が可能となる。そこで、特に膜タンパク質について、クライオ電子顕微鏡による高分解能構造解析を行っている。例えば、液胞型ATPアーゼを用いて、その機能中の高分解能構造を明らかにする研究を行っている。液胞型ATPアーゼは、ATPのエネルギーを利用した中心軸の回転により、プロトンを輸送して液胞内を酸性化するプロトンポンプであるが、図2に示すように、その回転に対応する複数の構造を明らかにした。これにより、プロトン輸送機構の解明とその工学応用を目指している。