統計力学基礎論・非平衡統計力学のブレークスルーによる一分子測定理論の創出

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107703
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 林 久美子 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00585979)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2012: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2011: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 生体モーター / 非平衡統計力学 / 分子モーター / 一分子計測 / 非平衡統計 / ゆらぎ

Outline of Annual Research Achievements

これまで、タンパク質回転モーターF1-ATPaseに非平衡統計力学の揺らぎの定理を応用して回転トルクを測定する理論を構築してきた。非平衡統計力学の揺らぎの定理はもともとエントロピー生成の分布の対称性に関する理論であるが、これを応用して、生体モーターの駆動力測定を行う方法を研究して来た。F1-ATPaseの他にV1-ATPaseにも本理論を応用し、回転トルクの測定を行った。従来の回転トルク測定の方法よりも揺らぎの定理を用いた方法は、正確な測定が出来るためV1-ATPaseの変異体の回転トルクを正確に測定し、野生型と比較することができた。次に、本研究ではこの定理を細胞内で輸送されるオルガネラに働く力の測定に応用することを試みた。ミトコンドリアなどのオルガネラは、細胞内で微小管に沿ってタンパク質モーターであるキネシンやダイニンに輸送される。これらのモーターがミトコンドリアを輸送する際、ミトコンドリアにかかる力を測定することを試みた。PC12細胞を培養し、これを用いてミトコンドリアを蛍光顕微鏡で観察した。動画から得られたミトコンドリアの重心の運動を解析した。揺らぎの定理から見積もったオルガネラに働く力から、細胞内の粘性を見積もった。揺らぎの定理によって見積もった値の妥当性を議論するために、蛍光相関分析法によって細胞内に取り込ませたビーズの拡散から粘性を見積もった（細胞内へのビーズの取り込みはエレクトロポーレション法を用いて行った。）両者は実験誤差の範囲で一致した。実験結果を更に議論するため、シミュレーションを用いてミトコンドリアサイズの大きさの粒子の拡散を再現することを試みた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Measurements of the driving forces of bio-motors using the fluctuation theorem (2012)
  • Author(s): K. Hayashi, M. Tanigawara and J. Kishikawa
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 8 Issue: 0 Pages: 67-72
  • DOI: 10.2142/biophysics.8.67
  • NAID: 130002061594
  • ISSN: 1349-2942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-equilibrium Statistical Mechanics for Fluctuations in a Cell (2012)
  • Author(s): 林久美子
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 52 Issue: 2 Pages: 118-119
  • DOI: 10.2142/biophys.52.118
  • NAID: 10030134786
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-molecule stochastic resonance (2012)
  • Author(s): K. Hayashi, S. de Lorenzo, M. Manosas, J. M. Huguet and F. Ritort
  • Journal Title: Phys. Rev. X Volume: 2 Issue: 3 Pages: 31012-31012
  • DOI: 10.1103/physrevx.2.031012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protein motor F_1 as a model system for fluctuation theories of non-equilibrium statistical mechanics (2012)
  • Author(s): K. Hayashi and R. Hayashi
  • Journal Title: Fluct. and Noise Lett. Volume: 11 Issue: 03 Pages: 124001-124001
  • DOI: 10.1142/s0219477512410015
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Giant acceleration of diffusion n in single molecule experiments (2012)
  • Author(s): Kumiko Hayashi
  • Organizer: 揺らぎと生体機能第６回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-12-04
• [Presentation] Estimation of drag force acting on a mitochondrion transported in a living cell:Application of the fluctuation threom (2012)
  • Author(s): Kumiko Hayashi
  • Organizer: 日本生物物理学会第５０回年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-09-22
  • Invited
• [Presentation] Fluctuation theorem applied to bio-motors (2011)
  • Author(s): 林久美子
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県立大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-16