Optimal Transport Protocols for Biomolecular Machinery - Approaching the Principle Limits of Control of Microscopic Systems

Research Project

Project/Area Number	23K25833
Project/Area Number (Other)	23H01136 (2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	鳥谷部祥一東北大学, 工学研究科, 教授 (40453675)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000) Fiscal Year 2026: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000) Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000) Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000) Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Keywords	最適輸送 / 分子モーター / 非平衡熱力学 / 生体分子機械 / 最適輸送・最適制御
Outline of Research at the Start	「制御」は生命現象の基本である．たとえば，分子モーターは巧みな制御機構によって効率的に動き，また，細胞骨格の動的制御が細胞分裂やアメーバ運動を実現する．マクロな系の制御は，熱力学，制御工学，情報理論等により確立している．一方，生命現象のような「ミクロなゆらぐ非平衡系」での制御理論はまだ発展途上である．本課題では，最適輸送理論，強化学習法，そして，1分子実験技術を組み合わせ，ATP合成酵素の最適輸送プロトコルを解明し，生命の進化が発明した最適輸送プロトコルを探求する．これにより，「ミクロなゆらぐ非平衡系における制御」の学理構築に貢献する．
Outline of Annual Research Achievements	今年度は，中間目標１（一定トルクとトラップ回転の比較）の達成に向けて，まず，システムの構築を行った．これまではオペアンプを用いていたが，トラップ力が足りなかった．そこで，新たに大型のアンプを４台導入し，強いトラップ力をかけることができるようになった．このシステムを用いてトラップ力のキャリブレーション法を開発し，さらに，回転分子モーターF1-ATPaseの輸送について，一定のトルクによる輸送とトラップを言って速度で回した時の輸送を比較した．一定トルクの印加はある程度経験を有するものの，トラップによる回転は，トラップ力のキャリブーレション方法の開発を含めて，ゼロからシステム構築を行った．トラップ力のキャリブレーションは，素朴な分布法に加え，新たに提案する振動法など含めて複数の方法を検討して詳しく調べ，その結果，素朴な分布法が制度と手間のバランスが良いことが分かり，分布法を採用することにした．以上のキャリブレーションを基に，一定トルク輸送およびトラップ輸送について，輸送実験を行い，さらに，そのデータを解析して外からした仕事の大きさを得た．その結果，トラップによる輸送の方が必要な仕事が少ないことが分かった．理論を基にこの結果を解析した．また，F1のついていない回転ブラウン粒子についてもコントロール実験として同様の実験を行い，仕事の大きさを求めた．同時に，共同研究者が数値計算を網羅的に実施し，実験結果をある程度再現できることを確認した．毎月１回はオンラインで共同研究者と議論を進め，2024年度の研究計画も具体的に立てることが出来ている．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 申請書に記載した計画通りに研究が進んでおり，このまま進めば，計画通り，2024年度に論文として成果を報告できると期待している．
Strategy for Future Research Activity	研究は順調であり，引き続き実験を進めていく．2024年度には，一定トルクvsトラップ回転の実験を終える．特に，ATP濃度が低いといった興味深い条件に注力し，2024年度中に論文を執筆する．本研究に関わる海外の共同研究者が2024年度に来日予定であり，この共同研究者と対面で議論を重ねて論文執筆を行う．さらに，強化学習など，研究計画の最終計画に向けた準備を行う．特に，数値計算による検証などを進める．