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分子モーターの1分子トラジェクトリからポテンシャルを描く

Research Project

Project/Area Number 23654137
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
Research InstitutionChuo University

Principal Investigator

鳥谷部 祥一  中央大学, 理工学部, 助教 (40453675)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上野 博史  中央大学, 理工学部, 助教 (10546592)
Project Period (FY) 2011
Project Status Completed (Fiscal Year 2011)
Budget Amount *help
¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords分子モーター / 統計力学 / F1-ATPase / エネルギー変換
Research Abstract

分子モーターは,化学エネルギーを力学運動に変換するナノサイズの化学エンジンである.したがって,そのエネルギー論を議論することは,分子モーターの動作原理を理解するうえで本質的である.特に,回転分子モーターF1-ATPaseは生体内で自由エネルギー変換の中心的な役割を担い,そのエネルギー論は生物学的にも重要である.F1-ATPaseはほぼ100%の自由エネルギー変換効率を持つことが知られており,なぜこのような高効率を実現できるのか,非平衡熱力学の観点からも興味深い.我々は,1分子トラジェクトリのみから,分子モーターの力学ポテンシャルを見積もる方法をすでに開発している.本研究課題では,この方法をF1-ATPaseに応用し,F1-ATPaseの高効率な自由エネルギー変換機構の仕組みを解明しようと試みた.我々は,光学系の調整と高度な画像処理により,露光時間40usで1秒間に9000枚の画像をリアルタイムでPCに記録できるシステムを構築した.このシステムを用いてF1-ATPaseの極めて時間分解能の高い1分子トラジェクトリを測定し,上記の方法を用いて解析した.その結果,F1-ATPaseの化学状態ごとの力学ポテンシャル,力学ポテンシャルが切り替わる瞬間の回転軸の角度,回転によって生じる熱散逸量などを,1分子トラジェクトリのみから推定することに成功した.そして,化学状態がランダムに切り替わるのではなく,中心の回転軸が少し進んだところでのみ状態が切り替わることを発見した.これは,F1-ATPaseが,"Diffusion-and-catch"と"Power stroke"の2つの機構を巧みに利用してトルクを発生していることを示唆している.これが,F1-ATPaseが高効率性を実現している理由の1つだと推測される.このような知見はある程度予想されてはいたものの,実験データから導き出したのは初めてであり画期的な成果と言える.

Report

(1 results)
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2011

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Thermodynamic efficiency and mechanochemical coupling of F1-ATPase2011

    • Author(s)
      S.Toyabe, T.Watanabe-Nakayama, T.Okamoto, S.Kudo, E.Muneyuki
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Science, the Unitated States of America

      Volume: 108 Issue: 44 Pages: 17951-17956

    • DOI

      10.1073/pnas.1106787108

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 情報と熱と悪魔-熱運動を利用する2011

    • Author(s)
      鳥谷部祥一
    • Journal Title

      科学(岩波書店)

      Volume: 81(招待論文) Pages: 1142-1145

    • NAID

      40019028246

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Single-molecule nonequilibrium thermodynamics of molecular motor2011

    • Author(s)
      S.Toyabe, H.Ueno, E.Muneyuki
    • Organizer
      第49回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      兵庫県立大学姫路書写キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2011-09-16
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 情報-自由エネルギー変換と分子モーター2011

    • Author(s)
      鳥谷部祥一
    • Organizer
      第63回コロイドおよび界面討論会
    • Place of Presentation
      京都大学吉田キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2011-09-07
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 情報-自由エネルギー変換と分子モーター2011

    • Author(s)
      鳥谷部祥一
    • Organizer
      駒場物性セミナー
    • Place of Presentation
      東京大学駒場キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-24
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 1分子トラジェクトリから情報を絞り出す-F1モーターを例にとって-2011

    • Author(s)
      鳥谷部祥一
    • Organizer
      第1回分子モーター討論会
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-20
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 情報と物理学の深い関係-マックスウェルの悪魔をめぐって-2011

    • Author(s)
      鳥谷部祥一
    • Organizer
      東京大学物理学教室コロキウム
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス(招待講演)
    • Year and Date
      2011-05-20
    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-08-05   Modified: 2019-07-29  

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