内橋 貴之

うちはし たかゆき
Takayuki Uchihashi
名古屋大学大学院理学研究科
教授
A02
専門分野プローブ顕微鏡・生物物理
公募班（2020-2021）

高速AFMで可視化する外的刺激により誘起される多孔性結晶表面の構造ダイナミクス

キーワード
高速原子間力顕微鏡、金属有機構造体、金属マクロサイクル構造体、構造ダイナミクス、外的刺激
関連する研究者
研究協力者: 細野暢彦（東京大学大学院新領域創成科学研究科、講師）
研究協力者: 田代省平（東京大学大学院理学系研究科、准教授）

研究概要

物質貯蔵材や吸着分離材、不均一系触媒などの多くの応用が期待されている多孔性結晶は、ゲスト分子の吸着や圧力、電場などの外的刺激に応答して結晶構造が柔軟に変化するソフトクリスタルとしての典型的な特徴を有している。外的刺激に応じた結晶構造および物性の変化は、分子内構造や分子間結合などの局所変化とそれにトリガーされる大域的な結晶構造の変化によってもたらされる。外部刺激に応答して結晶表面で生じる局所的な構造・物性変化とその伝搬ダイナミクスを理解することは、多孔性結晶の機能設計や性能向上を図る上で極めて重要であると思われる。本研究では、外的刺激に応答する多孔性結晶表面のナノスケールダイナミクス現象を高速原子間力顕微鏡（AFM）で直接可視化し、I: MMFやMOFなど多孔性結晶へのゲスト分子の吸着と格子歪の結晶表面伝搬の可視化、II: MMF表面での金ナノ粒子の成長過程の追跡、III: 局所力学刺激による格子歪誘起と選択的ゲスト分子の吸着制御の３項目について研究を行い、多孔性結晶の機能設計や性能向上のために基盤的知見を得ることを目的とする。

多孔性結晶の外部刺激に誘起される結晶構造変化
高速AFMによるMOF結晶表面の可視化
公募班（2018-2019）

高速ＡＦＭを基盤としたソフトクリスタルの構造物性ダイナミクス評価技術の確立

キーワード
高速原子間力顕微鏡、一分子可視化、ダイナミクス計測、構造イメージング、機械特性、ソフトクリスタル

研究概要

ソフトクリスタルは外部環境の変化や弱い機械刺激に応答して、光学特性や機械特性を柔軟に変化させる。これら刺激に応じたソフトクリスタルの物性変化は分子内構造や分子間結合とそれに伴う集合構造の変化によってもたらされる。直接刺激を受ける結晶表面での構造・物性変化とその表面伝播ダイナミクスを高時空間分解能で計測できれば、ソフトクリスタルの応答初期過程を明らかにでき、機能発現機序の解明に重要な知見を与えるに違いない。本研究代表者はこれまで高速原子間力顕微鏡(HS-AFM)の技術開発と応用研究に携わり、生体分子の構造ダイナミクスをナノスケール分解能で可視化することに成功してきた。また最近では高分子ポリマーや超分子などの人工分子系への応用展開も図っており、高速AFM技術がソフトクリスタルの構造物性ダイナミクスの可視化に有効であると考えられる。本研究では、高速AFMを用いて外部刺激に応答するソフトクリスタルの表面・物性構造のダイナミクスを高時空間分解能で可視化する基盤技術を確立し、ソフトクリスタルの機能創発のナノ機構を明らかにする。

高速AFMによるソフトクリスタル計測の概念図
高速AFMの測定例. (上)タンパク質二次元結晶における単一欠陥の拡散. (下) 配位ポリマーの動態.

研究業績

査読付発表論文

A02-15

  1. "Nanostructure and thermoresponsiveness of poly(N-isopropyl methacrylamide)-based hydrogel microspheres prepared via aqueous free radical precipitation polymerization", Y. Nishizawa, H. Minato, T. Inui, I. Saito, T. Kureha, M. Shibayama, *T. Uchihashi, *D. Suzuki, RSC Advances 11, 13130-13137(2021).
    DOI: 10.1039/D1RA01650D
  2. "Protein Needles Designed to Self-Assemble through Needle Tip Engineering", K. Kikuchi, T. Fukuyama, T. Uchihashi, T. Furuta, Y. T. Maeda, *T. Ueno, Small., 18(10)2106401.
    DOI: 10.1002/smll.202106401
  3. "Quantitative Visualization of the Interaction between Complement Component C1 and Immunoglobulin G: The Effect of CH1 Domain Deletion", S. Yanaka, S. Nishiguchi, R. Yogo, H. Watanabe, J. Shen, H. Yagi, *T. Uchihashi, *K. Kato, International Journal of Molecular Sciences, 23, 2090(2022).
    DOI: 10.3390/ijms23042090
  4. "Reconstruction of Three-Dimensional Conformations of Bacterial ClpB from High-Speed Atomic-Force-Microscopy Images", B. Dasgupta, O. Miyashita, T. Uchihashi, *F. Tama*, Frontiers in in Molecular Biosciences: Biological Modeling and Simulation 8, 704274 (2021).
    DOI: 10.3389/fmolb.2021.704274
  5. "Shape-selective one-step synthesis of branched gold nanoparticles on the crystal surface of redox-active PdII-macrocycles", Y. Yamashita, *S. Tashiro, Y. Ishii, T. Uchihashi, N. Matsushita, R.Kubota, *M. Shionoya, Dalton Transactions, 51, 1318-1324 (2022). (領域内共同研究 A02公募 田代)
    DOI: 10.1039/D1DT03973C
  6. "A Thermoresponsive Micellar Assembly Constructed from a Hexameric Hemoprotein Modified with Poly(N-isopropylacrylamide) toward an Artificial Light-harvesting System" S. Hirayama, *K. Oohora, *T. Uchihashi, *T. Hayashi, J. Am. Chem. Soc., 142, 182-1831 (2020).
    DOI: 10.1021/jacs.9b10080
  7. "Construction of a Hexameric Hemoprotein Sheet and Direct Observation of Dynamic Process of its Formation" *K. Oohora, S. Hirayama, *T. Uchihashi, T. Hayashi*, Chem. Lett., 49, 186-190 (2020).
    DOI: 10.1246/cl.190855
  8. "Convergent evolution of processivity in bacterial and fungal cellulases" T. Uchiyama, T. Uchihashi, A. Nakamura, H. Watanabe" S. Kaneko, M.Samejima, *K. Igarashi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117, 19896-19903 (2020). (#: equal contribution)
    DOI: 10.1073/pnas.2011366117
  9. "Dynamics of oligomer and amyloid fibril formation by yeast prion Sup35 observed by high-speed atomic force microscopy" H. Konno, T. Watanabe-Nakayama, T. Uchihashi, M. Okuda, L. Zhu, N. Kodera, Y. Kikuchi, T. Ando , *H. Taguchi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117, 7831-7836 (2020).
    DOI: 10.1073/pnas.1916452117
  10. "Nanostructures, Thermoresponsiveness, and Assembly Mechanism of Hydrogel Microspheres during Aqueous Free-Radical Precipitation Polymerization" Y. Nishizawa, H. Minato, T. Inui, *T. Uchihashi, *D. Suzuki, Langmuir, 37, 151-159 (2020).
    DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02654
  11. "On-Membrane Dynamic Interplay between Anti-GM1 IgG Antibodies and Complement Component C1q" S. Yanaka, R. Yogo, H. Watanab, Y. Taniguchi, T.Satoh, N. Komura, H. Ando, H. Yagi, N. Yuki, *T. Uchihashi, *K. Kato, Int. J. Mol. Sci., 21, 147 (2020).
    DOI: 10.3390/ijms21010147
  12. "Rad50 zinc hook functions as a constitutive dimerization module interchangeable with SMC hinge" H. Tatebe, C. T. Lim, H. Konno, K. Shiozaki, A. Shinohara, *T. Uchihashi, *A. Furukohri, Nat. Commun., 11, article number: 370 (2020).
    DOI: 10.1038/s41467-019-14025-0
  13. "Schizorhodopsins: A novel family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps" *K. Inoue, S. P. Tsunoda, M. Singh, S. Tomida, S. Hososhima, M. Konno, R. Nakamura, H. Watanabe, P.-A. Bulzu, H. L. Banciu, A.-Ş. Andrei, T. Uchihashi, R. Ghai, O.Béjà, H. Kandori, Sci. Adv., 6, eaaz 2441 (2020).
    DOI: 10.1126/sciadv.aaz2441
  14. "Structural Dynamics of a Protein Domain Relevant to the Water-Oxidizing Complex in Photosystem II as Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy" T. Tokano, Y. Kato, S. Sugiyama, *T. Uchihashi, *T. Noguchi, J . Phys. Chem. B, 124, 5847-5857 (2020).
    DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c03892
  15. "Structural insights into the mechanism of rhodopsin phosphodiesterase" T. Ikuta, W. Shihoya, M. Sugiura, K. Yoshida, M. Watari, T. Tokano, K. Yamashita, K. Katayama, S. P. Tsunoda, T. Uchihashi, *H. Kandori, *O Nureki, Nat. Commu., 11, 5605 (2020).
    DOI: 10.1038/s41467-020-19376-7
  16. "Supramolecular tholos-like architecture constituted by archaeal proteins without functional annotation" M. Yagi-Utsumi1, A. Sikudar, C. Song, J. Park, R. Inoue, H. Watanabe, R. N. Burton-Smith, T. Kozai, T. Suzuki, A. Kodama, K. Ishii1, H. Yagi, T. Satoh, S. Uchiyama, T. Uchihashi, K. Joo, J. Lee, M. Sugiyama, K. Murata, K. Kato, Sci. Rep., 10, 1540 (2020).
    DOI: 10.1038/s41598-020-58371-2
  17. "Thermoresponsive structural changes of single poly(N-isopropyl acrylamide) hydrogel microspheres under densely packed conditions on a solid substrate" H. Minato, Y. Nishizawa, *T. Uchihashi, *D. Suzuki, Polym. J., 52, 1137-1141 (2020).
    DOI: 10.1038/s41428-020-0372-3
  18. "Construction of a Quadrangular Tetramer and a Cage-Like Hexamer from Three-Helix Bundle-Linked Fusion Proteins" T. Miyamoto, Y. Hayashi, K. Yoshida, H. Watanabe, T. Uchihashi, K. Yonezawa, N. Shimizu, H. Kamikubo, S. Hirota, ACS Synth. Biol., 2019, 85, 1112-1120.
    DOI: 10.1021/acssynbio.9b00019
  19. "Crystal structure of heliorhodopsin" W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, T. Izume, S. Okazaki, M. Hashimoto, R. Mizutori, S. Tomida, Y. Yamauchi, R. Abe-Yoshizumi, K. Katayama, S. P. Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Béjà, T. Uchihashi, *H. Kandori, *O. Nureki, Nature, 574, 132-136 (2019).
    DOI: 10.1038/s41586-019-1604-6
  20. "Hydrogel Microellipsoids that Form Robust String‐Like Assemblies at the Air/Water Interface" K. Honda, Y. Sazuka, K. Iizuka, S. Matsui, T. Uchihashi, T. Kureha, M. Shibayama, T. Watanabe and  D. Suzuki, Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 7294-7298.
    DOI: 10.1002/anie.201901611
  21. "Mutational and combinatorial control of self-assembling and disassembling of human proteasome α-subunits" T. Sekiguchi, T. Satoh, E. Kurimoto, C. Son, T. Kozai, H. Watanabe, K. Ishii, H. Yagi, S. Yanaka, S. Uchiyama, T. Uchihashi, K. Murata, *K. Kato, Int. J. Mol. Sci., 20, 2608 (2019).
    DOI: 10.3390/ijms20092308
  22. "Non-Thermoresponsive Decanano-sized Domains in Thermoresponsive Hydrogel Microspheres Revealed by Temperature-Controlled High-Speed Atomic Force Microscopy" Y. Nishizawa, S. Matsui, K. Urayama, T. Kureha, M. Shibayama, T. Uchihashi and D. Suzuki, Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 8809-8813.
    DOI: 10.1002/anie.201903483
  23. "Protein Uptake into Individual Hydrogel Microspheres Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy" S. Matsui, K. Hosho, H. Minato, T. Uchihashi and  D. Suzuki, Chemical Communications, 2019, 55, 10064-10067.
    DOI: 10.1039/C9CC05116C
  24. "A ring-shaped hemoprotein trimer thermodynamically controlled by the supramolecular heme–heme pocket interaction" K. Oohora, R. Kajihara, N. Fujimaki, T. Uchihashi, T. Hayashi, Chem. Commun., 2019, 55, 1544-1547.
    DOI: 10.1039/C8CC09314H
  25. "Direct Observation and Manipulation of Supramolecular Polymerization by High-Speed Atomic Force Microscopy" T. Fukui, T. Uchihashi, N. Sasaki, M. Takeuchi, K. Sugiyasu, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 15465-15470.
    DOI: 10.1002/anie.201809165
  26. "Microtubule Self-Healing and Defect Creation Investigated by In-Line Force Measurements During High-Speed Atomic Force Microscopy Imaging" C. Ganser and T. Uchihashi, Nanoscale, 2019, 11, 125-135.
    DOI: 10.1039/C8NR07392A
  27. "Monitoring Thermo-responsive Morphological Changes in Individual Hydrogel Microspheres" S. Matsui, Y. Nishizawa, T. Uchihashi, D. Suzuki, ACS Omega, 2018, 3, 10836-10842.
    DOI: 10.1021/acsomega.8b01770
  28. "Supramolecular Hemoprotein Assembly with a Periodic Structure Showing Heme–Heme Exciton Coupling" K. Oohora, N. Fujimaki, R. Kajihata, H. Watanabe, T. Uchihashi, T. Hayashi, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10145-10148.
    DOI: 10.1021/jacs.8b06690

国内学会発表

A02-15

  1. ”高速原子間力顕微鏡で撮影するタンパク質の機能動態”,内橋貴之(招待), 第21回 日本タンパク質年会, ワークショック” 高速分子動画：タンパク質の構造機能相関研究の最先端” (オンライン, 2021年6月17日)
  2. ”高速AFMによる高分子ゲル微粒子の構造物性動態イメージング”,内橋貴之(招待), 第70回 高分子討論会, ”ソフトマテリアルイメージングの最前線” (オンライン, 2021年9月8日)
  3. "高速AFMによる酸素発生光化学系II のドメイン構造揺らぎの可視化”、内橋貴之(招待講演),ブルカージャパン オンラインシンポジウム 〜単一生体分子の動的プロセス評価に向けた高速AFM技術〜, 2020年12月15日, オンライン
  4. "高速原子間力顕微鏡で可視化する生体・人工分子のダイナミクス、内橋貴之(招待講演), 岡山大学大学院医歯薬学総合研究科(薬学系) 先端薬学特論 公開セミナー, 2020年10月9日, オンライン

報道・アウトリーチ活動・特許・その他

A02-15

  1. 「プログラムされた分子が自発的にナノ模様を形成」が科学新聞で報道(2022.1.27)
  2. JSTアジア・太平洋総合研究センターの中国語サイト「客観日本」(https://www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_smkx/pt20220225000001.html）で紹介
  3. 「自己修復・自己組織化材料の開発と応用事例」第5章 第12節「高速原子間力顕微鏡による分子の自己組織化過程のリアルタイムでの観察」、内橋貴之、技術情報協会, 2020年3月
  4. 「膜タンパク質工学ハンドブック」(津本浩平 監修)： 第1編 第2章15「高速原子間力顕微鏡によるタンパク質の構造ダイナミクス解析」, 内橋貴之、株式会社　エヌ・ティー・エス, 2020年3月

受賞

A02-15

  • 受賞タイトル：Real-time Nanoscale Visualization of Biological Molecules at Work with High-speed Atomic Force Microscopy, IEEE 3M Nano 2019, Best Conference Paper Award　受賞者：内橋 貴之
関連ウェブサイト
連絡先
uchihast@d.phys.nagoya-u.ac.jp