膜超分子モーターの革新的ナノサイエンス
平成18年度～平成22年度
野地 博行（東京大学・大学院工学系研究科・教授）
本領域研究の設定目的は、膜長分子モーター研究において、わが国の1分子ナノバイオ分野の研究者が有する圧倒的なアドバンテージを維持、そして発展させ、最終的には膜超分子モーターの新しいタンパク質科学を創造していくことにある。それは、これまでの大きな成果をあげてきた分子遺伝学と生化学研究を先端的なマイクロ・ナノ加工技術を利用した1分子ナノバイオ計測と融合させ、そこから得られる結果を構造生物学と分子シミュレーションによって解釈し、再び実験に還元しようというものである。具体的には、マイクロ・ナノ加工技術や、光学顕微鏡技術、そして大規模計算シミュレーション化学の専門家が結集し、革新的な1分子ナノバイオ技術の開発を行う。例えば、膜タンパク質の1分子計測技術、3次元で分子の動きを計測できる1分子顕微鏡と1分子の蛍光偏光面を測定する顕微鏡、マイクロ・ナノデバイスを利用した超高感度検出技術と平面膜チップの開発、および、分子シミュレーションと組み合わせた量子化学計算、などを組み合わせることにより、機能性タンパク質の触媒反応機構がどのような構造基盤によって実現しているのかを原子レベルの分解能で理解することを目指す。この目的を達成するために、まったく新しいナノバイオ技術の開発を推進し、これを全面的に活用できる創造的な共同研究を実施する。
計画研究ではATP合成酵素とベン毛モーターを主たる研究対象とし、その分子メカニズムに集中した研究を展開した。ATP合成酵素のF1-ATPaseに関しては、まず反応スキームがほぼ完全に解明されたことが大きな成果としてあげられる（Cell 2007, Nat. Chem. Bio. 2010）。さらに、トルク発生ユニットの構造変も１分子で計測され新しい中間構造が提案された（Nat. Str. Mol. Bio. 2008a）.また、F1-ATPaseの活性制御メカニズムも明らかとなった（EMBO J. 2006, JBC 2011）.ベン毛モーターに関しては、基部体に存在するベン毛輸送装置を形成するFliIがF1-ATPaseのトルク発生ユニットに酷似している（PNAS 2006）という驚くべき発見があった。また生きている細胞中におけるベン毛タンパク質の局在ダイナミクス（JMB 2007）も明らかとなった。また、本領域では新しい１分子計測技術の開発も精力的に行った。その成果として、3次元１分子計測技術（Nat. Str. Mol. Bio. 2008b）、流体力学的細胞トラップ技術（PNAS 2007）、非平衡物理理論を利用した新しいトルク計測技術（Physical Review let. 2010）などが挙げられる。また、本領域の最大の特徴は効果的な領域内連携研究である。例えば、平面膜1分子計測技術（EMBO J 2009）、ベン毛モータートルク発生ユニットの構造解析（PNAS 2008）、VoV1のサブステップ（Nat. Comm. 2011）、細胞内ATP計測プローブの開発（PNAS 2010）、F1-ATPaseの固定子リングの構造変化計測（Science投稿中）は全て領域内共同研究の成果である。また、分子計算技術と1分子計測の融合も進めており、F1-ATPaseの結晶構造の反応状態解析（PNAS 2009）にもとづく量子力学計算から、F1-ATPaseの加水分解反応素過程解明がなされた（Nat. Chem. 投稿中）。
A+（研究領域の設定目的に照らして、期待以上の成果があった）
日本が世界に先駆けてきたATP合成酵素や細菌べん毛などの膜超分子モーター研究領域を、後継の若手研究者により独創性の高い基盤的研究分野として発展させてきたことは高く評価できる。1分子ナノバイオ技術の開発によって、様々な研究領域に波及効果をもたらす基礎技術基盤が確立されたことも評価できる。これは、班員同士あるいは多くの関連分野との有機的な連携がなされた結果である。生物のみならず、物理・化学にもわたる良い成果が出され、総じて学術水準の高い先導的研究を格段に発展させようとした本領域の研究目的は十分に達成されたと評価できる。
研究領域の設定目的の一つとして「研究の格段の発展が期待できる研究領域」が掲げられていたが、比較的若いが優秀な研究者が、膜超分子モーターの構造と機能に関して、生物物理学的視点を中心に、我が国が先導する研究をさらに進めたことは評価できる。また、べん毛モーターに関しては、ATP合成酵素と類似する点が発見されるという予期しない成果も出て発展したことも評価できる。
「研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、日本が先駆けていた膜超分子モーター研究領域を、異分野の比較的若い研究者が共同して研究を進めた点は評価できる。
さらに、「先導的又は基盤的意義を有する研究領域」という観点からは、世界的にも、独創的な異分野の研究者が連携して成果をあげていると評価できる。
いずれの領域設定目的に照らし合わせても、十二分な達成度があったものと評価できる。
引用回数も評価できる論文の発表がなされており、発展が期待できる成果が発表されている。また、共同研究や連携による成果が多い点は評価できる。
独創的な分野として研究が進展しており、基盤的方法や技術も開発されていることは、高く評価できる。研究成果は学会発表などで積極的に国内外に発信され、その重要性は認知されており、関連学問分野への波及効果も高いと思われる。
領域代表者のリーダーシップのもと、ナノサイエンス、量子化学、理論物理などの連携が効率的に行われた。また、TV会議システムを有効に使うなど、効率的に組織を動かしており、若手研究者を中心に自由な議論を行える体制が整えられている。班員同士あるいは関連分野との有機的な連携がなされ、成果につながったという意見が多数あった。
特に問題点を指摘する意見はなかった。
物理・化学・測定技術などへの貢献があり、特に新しいテクノロジーの拡大で関連学問分野への波及効果は大きい。アウトリーチ活動も積極的に行ってきている。
成長期にある若手研究者を中心として、人材が育成された点が多くの審査員から高く評価された。生物物理学会若手奨励賞の40％を本領域関係者が占めたということから、この分野の一層の発展が期待される。
平成23年度科学研究費補助金「特定領域研究」に係る研究成果等の報告書（※KAKEN科学研究費補助金データベースへリンク）
研究振興局学術研究助成課
-- 登録：平成24年02月 --