Autonomous mechanics of biological nanomachines elucidated by coarse grained models

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 20H05538
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 好村 滋行 東京都立大学, 理学研究科, 客員教授 (90234715)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ナノマシン / 非平衡 / ソフトマター / 酵素 / ラチェット

Outline of Research at the Start

分子スケールで動作する微小機械は急速に実現化されつつあるが、現時点の分子マシンはまだ酵素やタンパク質のように高度な自律的機能を有しておらず、生体ナノマシンの動作機構の基本原理の物理化学的な理解が必要とされている。本研究では、大胆な粗視化モデルに立脚して、自律的な生体ナノマシンの運動機構やエネルギー変換機構、情報伝達機構の根本原理を理論的に解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

我々は複雑な非平衡過程を有するマイクロマシンにおける普遍的な動力学の理解を目的としている。平成３年度には、触媒反応による非平衡過程を奇弾性率で記述し、構造変化の統計的性質を調べた。まず、マイクロマシンの構造変化の動力学を記述するために、内部自由度に対するランジュバン方程式を考えた。ここで、二自由度以上の系では輸送係数、弾性係数、拡散係数は二階の行列になる。熱平衡状態ではこれらの行列が対称行列となるが、非平衡系ではこの対称性が破れることが近年議論されている。そこで、我々は触媒反応による非平衡過程を記述するために弾性係数行列の反対称成分（奇弾性率）を導入した。
まず、我々は奇弾性率を含むランジュバン方程式から得られた時間相関関数が時間反転対称性を破ること示した。特に時間相関関数の初期微分が奇弾性率に比例することがわかった。また、奇弾性率の存在下では、熱平衡では見られない時間相関関数の振動が見られることがわかった。次に我々はオンサガー・マクラップ変分原理をランジュバン方程式に適用することで構造変化過程の最頻経路を解析した。その結果、奇弾性率が存在すると、行きと帰りで経路が異なる非相反な最頻経路が導かれた。これは構造変化の対称性が触媒反応のエネルギー注入によって破れることを示す。最後に粘性流体中に3つの球を2つのバネで結合した構造物を考え、変形と重心の運動をランジュバン方程式で記述した。その結果、奇弾性率に比例した速度で構造物が遊泳することが示された。全体として、奇弾性率による化学反応の粗視化記述により、非平衡動力学で本質的な時間や経路等の対称性の破れを説明することに成功した。今後、実験や数値シミュレーションによって、実際のタンパク質との対応関係が整理され、奇弾性率が非平衡系を記述する際の標準的な物理量になると期待できる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Tel Aviv University(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] University of Warwick(英国)
• [Int'l Joint Research] Institut Curie(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of New South Wales(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] 国科温州研究院/中国科学院(中国)
• [Int'l Joint Research] Tel Aviv University(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] University of Warwick(英国)
• [Int'l Joint Research] Institut Curie(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of New South Wales(オーストラリア)
• [Journal Article] The Onsager-Machlup Integral for Non-Reciprocal Systems with Odd Elasticity (2022)
  • Author(s): Yasuda Kento、Kobayashi Akira、Lin Li-Shing、Hosaka Yuto、Sou Isamu、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 1 Pages: 015001-015001
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.015001
  • NAID: 210000159508
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Emergent stripes of active rotors in shear flows (2021)
  • Author(s): Zhao Zhiyuan、Wang Boyi、Komura Shigeyuki、Yang Mingcheng、Ye Fangfu、Seto Ryohei
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Issue: 4 Pages: 043229-043229
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.043229
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hydrodynamic lift of a two-dimensional liquid domain with odd viscosity (2021)
  • Author(s): Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki、Andelman David
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 104 Issue: 6 Pages: 064613-064613
  • DOI: 10.1103/physreve.104.064613
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonreciprocality of a micromachine driven by a catalytic chemical reaction (2021)
  • Author(s): Yasuda Kento、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Issue: 6 Pages: 062113-062113
  • DOI: 10.1103/physreve.103.062113
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Odd Microswimmer (2021)
  • Author(s): Yasuda Kento、Hosaka Yuto、Sou Isamu、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 7 Pages: 075001-075001
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.075001
  • NAID: 210000159108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonreciprocal response of a two-dimensional fluid with odd viscosity (2021)
  • Author(s): Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki、Andelman David
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Issue: 4 Pages: 042610-042610
  • DOI: 10.1103/physreve.103.042610
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Brownian motion of a charged colloid in restricted confinement (2021)
  • Author(s): Avni Yael、Komura Shigeyuki、Andelman David
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Issue: 4 Pages: 042607-042607
  • DOI: 10.1103/physreve.103.042607
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Irreversibility and entropy production of a thermally driven micromachine (2021)
  • Author(s): Sou Isamu、Hosaka Yuto、Yasuda Kento、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Physica A: Statistical Mechanics and its Applications Volume: 562 Pages: 125277-125277
  • DOI: 10.1016/j.physa.2020.125277
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autonomous elastic microswimmer (2021)
  • Author(s): Era Katsutomo、Koyano Yuki、Hosaka Yuto、Yasuda Kento、Kitahata Hiroyuki、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 133 Issue: 3 Pages: 34001-34001
  • DOI: 10.1209/0295-5075/133/34001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Brownian Motion Confined in a Brownian Surface (2020)
  • Author(s): Komura Shigeyuki
  • Journal Title: JPSJ News and Comments Volume: 17 Pages: 08-08
  • DOI: 10.7566/jpsjnc.17.08
• [Journal Article] Reciprocal microswimmers in a viscoelastic fluid (2020)
  • Author(s): Yasuda Kento、Kuroda Mizuki、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 32 Issue: 9 Pages: 093102-093102
  • DOI: 10.1063/5.0018540
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamics of passive and active membrane tubes (2020)
  • Author(s): Al-Izzi Sami C.、Sens Pierre、Turner Matthew S.、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 16 Issue: 40 Pages: 9319-9330
  • DOI: 10.1039/d0sm01290d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanochemical enzymes and protein machines as hydrodynamic force dipoles: the active dimer model (2020)
  • Author(s): Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki、Mikhailov Alexander S.
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 16 Issue: 47 Pages: 10734-10749
  • DOI: 10.1039/d0sm01138j
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lateral diffusion on a frozen random surface (2020)
  • Author(s): Ohta Takao、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 132 Issue: 5 Pages: 50007-50007
  • DOI: 10.1209/0295-5075/132/50007
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 反対称粘性率を持つ流体におけるアクティブな酵素の集団運動 (2022)
  • Author(s): 保阪悠人, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] 反対称マイクロスイマー (2021)
  • Author(s): 安田健人, 保阪悠人, 曹勇, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 反対称粘性率をもつ流体中の液体ドメインに働く非相反な力 (2021)
  • Author(s): 保阪悠人, 好村滋行, David Andelman
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 熱的に駆動されるマイクロマシンの遊泳効率 (2021)
  • Author(s): 曹勇, 保阪悠人, 安田健人, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 自律的に速度を選択する弾性スイマーⅡ (2021)
  • Author(s): 江良勝智, 小谷野由紀A, 保阪悠人, 安田健人, 北畑裕之B, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 不均一な輸送係数を持つ二成分系のミクロ相分離ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 劉芳美, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 層状弾性体における力学応答 (2021)
  • Author(s): 笹田智暉, 保阪悠人, 安田健人, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 粘弾性流体中の相反マイクロスイマー (2021)
  • Author(s): 安田健人, 黒田瑞季, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 反対称粘性率を持つ二次元圧縮性流体の流体力学的応答II (2021)
  • Author(s): 保阪悠人, 好村滋行, David Andelman
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 生体ナノマシンの状態サイクルモデルⅡ (2020)
  • Author(s): 安田健人, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 細胞シートにおける亀裂進展の理論モデル (2020)
  • Author(s): 古屋智博, 作道直幸, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 反対称粘性率を持つ二次元圧縮性流体の流体力学的応答 (2020)
  • Author(s): 保阪悠人, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 熱的に駆動されるマイクロマシンのエントロピー生成 (2020)
  • Author(s): 好村滋行, 曹勇, 保阪悠人, 安田健人
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 自律的に速度を選択する弾性スイマー (2020)
  • Author(s): 江良勝智, 小谷野由紀, 保阪悠人, 安田健人, 北畑裕之, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 自己推進粒子を用いた捕食者・被食者系のシミュレーション (2020)
  • Author(s): 伊藤碧, 山下晃史, 松尾寛, 佐藤拓哉, 立木佑弥, 好村滋行
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Remarks] Biomedical Soft Matter Group
  • URL: http://biosoft.world.coocan.jp/index.html
• [Remarks] 好村滋行のバイオ・ソフトマター研究
  • URL: https://www.comp.tmu.ac.jp/shigekomura/list-e.html