Exploring the limits of quasi-static operation of F1 motors

• Project/Area Number: 18K06164
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Chuo University
• Principal Investigator: Muneyuki Eiro 中央大学, 理工学部, 教授 (80219865)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 分子モーター / 自由エネルギー変換 / 熱力学 / F1-ATPase / 高温条件 / F1モーター / エネルギー変換効率 / ストールトルク / 安定性 / エネルギー論 / 非平衡 / 準静的過程 / 熱散逸 / 生体エネルギー論 / 自由エネルギー

Outline of Final Research Achievements

The F1 motor, which is part of the FoF1-ATP synthase, is known to perform the free energy transduction between ATP synthesis / hydrolysis and the mechanical rotation with almost 100% efficiency. This high efficiency is thought to be due to the quasi-static operation of the F1 motor. Therefore, we investigated extreme conditions that would prevent quasi-static operation to reduce the energy conversion efficiency of the F1 motor, aiming to highlight high-efficiency conditions or mechanisms. As a result, the energy conversion efficiency decreased under high temperature conditions, and a research paper is currently being written. In addition, we were able to analyze a mutant whose energy conversion efficiency decreases due to the introduction of a mutation, and published a paper for discussion.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

分子モーターは，化学反応と力学的な運動を共役するエネルギー変換装置であるとよく言われることだが，実際に化学反応の自由エネルギー変化を制御した上で，保存力に対する仕事を計測している研究は極めて少ない．申請者のグループの研究はそのような点に配慮して実験をおこなっている非常に少ない例であり，本当に物理化学的な視点に立ったときに考えるべきデータを提供できるものである．今回得られた結果は，更に知見を加えないと突っ込んだ議論には踏み込めないが，将来に向けて貴重な知見を与えていると考えられる．

Research Products

• [Journal Article] Tight Chemomechanical Coupling of the F1 Motor Relies on Structural Stability (2020)
  • Author(s): Tanaka Mana、Kawakami Tomohiro、Okaniwa Tomoaki、Nakayama Yohei、Toyabe Shoichi、Ueno Hiroshi、Muneyuki Eiro
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 119 Issue: 1 Pages: 48-54
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.04.039
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The Measurement of Mechanical Work of Thermophilic F1-ATPase at the Optimum Growth Temperature (2019)
  • Author(s): 岡庭 有明, 中山 洋平, 寺原 直矢, 宗行 英朗
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Step analysis of the Bacillus Na+-driven flagellar motor (2019)
  • Author(s): 寺原 直矢, 楊 未来, 宗行 英朗, 難波 啓一, 南野 徹
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] F1 モーターの反応過程におけるリン酸解離のタイミングについて (2019)
  • Author(s): 宗行英朗
  • Organizer: 「水和と ATP エネルギー」研究会
• [Presentation] Thermodynamic Efficiency of F1-ATPase at High Temperature (2018)
  • Author(s): Tomoaki Okaniwa, Yohei Nakayama, Eiro Muneyuki
  • Organizer: 第 56 回日本生物物理学会年会
• [Presentation] On the timing of phosphate release in the ATPase reaction by TF1 (2018)
  • Author(s): Eiro Muneyuki, Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe, Hiroshi Ueno
  • Organizer: 第 56 回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Energetics of Thermophilic F1 motor (2018)
  • Author(s): Eiro Muneyuki
  • Organizer: Sendai Molecular Motor Workshop
  • Invited
• [Presentation] ラチェットモデルを出発点とした二次能動輸送のトイモデル (2018)
  • Author(s): 宗行英朗
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第44回討論会