F1-ATPaseによるエネルギー変換と非平衡揺らぎ

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 26103528
• 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: Chuo University
• Principal Investigator: 宗行 英朗 中央大学, 理工学部, 教授 (80219865)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2015: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 生体エネルギー変換 / 分子モーター / ゆらぎ / F1-ATPase

Outline of Annual Research Achievements

2015年度は，長時間安定したピントを維持して観察を行うための顕微鏡システムの開発を行った．今のところ10分前後の連続した観察を安定して行えており，十分な性能を持つものが出来たと考えている．
一方，ATPase活性が落ちた変異体でどのように回転の性質が変わるかを検討すれば，化学反応と力学的な動きの共役に関する知見が得られることを期待してβE190D変異体の回転について，外部トルク依存性などを調べた．
βE190D変異体は，加水分解反応に重要なグルタミン酸（E）をアスパラギン酸（D）に置換することにより触媒活性が1/100に低下したもので，F1-ATPaseの変異体の中では最もよく調べられたものの一つである．しかし，この変異体に外部トルクをかけると大きくばらついたストールトルクが得られ，それらはすべてATPの加水分解の自由エネルギー差から期待されるものより低くなっていた．以上の結果は，E190D変異が加水分解反応に影響するだけでなく，モーターの機械的な安定性を低下させ，回転にスリップが起こったことを示唆している．実際に熱処理を行って野生型と比較したところ，74℃で安定性が明らかに低下しており，また，γサブユニットのないα3β3複合体の安定性をゲル濾過で調べたところ，βE190D変異はα3β3複合体を安定に形成できないことが分かった．図らずも，ATPase活性の低下した変異体の回転への影響が，分子全体の機械的な強度の不安定化という形で現れたのであるが，F1-ATPaseがβサブユニットでのATP加水分解活性とγサブユニットの回転をカップルすることを考えると，加水分解活性に重要なアミノ酸残基が機械的な動きに関してもそれを支える形で重要な役割を果たすのは合理的なのかも知れない．
このほかに光駆動型プロトンポンプであるプロテオロドプシンのポンプ活性の研究をおこない，pHによって輸送方向の逆転が起こることを示唆する結果を得た．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Formation of M-Like Intermediates in Proteorhodopsin in Alkali Solutions (pH less than 8.5) Where the Proton Release Occurs First in Contrast to the Sequence at Lower pH (2016)
  • Author(s): Tamogami J, Sato K, Kurokawa S, Yamada T, Nara T, Demura M, Miyauchi S, Kikukawa T, Muneyuki E, Kamo N
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 55 Issue: 7 Pages: 1036-1048
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b01196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single molecule thermodynamics of ATP synthesis by F 1 -ATPase (2015)
  • Author(s): Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 17 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1088/1367-2630/17/1/015008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CHARMM Force-fields with Modified Polyphosphate Parameters Allow Stable Simulation of the ATP-Bound Structure of Ca2+-ATPase (2014)
  • Author(s): Yasuaki Komuro, Suyong Re, Chigusa Kobayashi, Eiro Muneyuki and Yuji Sugita
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 10 Issue: 9 Pages: 4133-4142
  • DOI: 10.1021/ct5004143
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Torque generation of Enterococcus hirae V-ATPase (2014)
  • Author(s): Ueno H, Minagawa Y, Hara M, Rahman S, Yamato I, Muneyuki E, Murata T, and Iino R
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 289 Issue: 45 Pages: 31212-31223
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.598177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 好熱菌F1のβE190残基は構造を安定化することにより，F1の高効率エネルギー変換に貢献する (2016)
  • Author(s): 田中真奈，河上知広，中山洋平，鳥谷部祥一，上野博史，工藤成史，宗行英朗
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議 2016
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2016-01-08
• [Presentation] F1-ATPaseのP-loop変異体TF1(βG158A)のリン酸解離角度の解明 (2016)
  • Author(s): 成田宏夏，星名仁志，吉田光，中山洋平，鳥谷部祥一，上野博史，宗行英朗
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議 2016
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2016-01-08
• [Presentation] TF1bE190 residue contributes to high energy transduction efficiency by stabilizing the structure of the enzyme. (2015)
  • Author(s): 田中 真奈, 河上 知広, 中山 洋平, 鳥谷部 祥一, 上野 博史, 工藤 正史, 宗行 英朗
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] The relationship between F1-ATPase P-loop mutant TF1(βG158A) and Pi release (2015)
  • Author(s): 成田 宏夏, 星名 仁志, 吉田 光, 伊藤 亜由美, 伊藤 丈太郎, 中山 洋平, 鳥谷部 祥一, 上野 博史, 宗行 英朗
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] pH dependence of the photoinduced proton transfer in proteorhodopsin under alkaline conditions (2015)
  • Author(s): 田母神 淳, 佐藤 慶太郎, 黒川 少名, 山田 匠, 奈良 敏文, 出村 誠, 菊川 峰志, 宗行 英朗, 加茂 直樹
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Rotation of β E190D Mutant of F1-ATPase (2015)
  • Author(s): E. Muneyuki, M. Tanaka, T. Kawakami, H. Ueno, Y. Nakayama, S. Toyabe
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
  • Place of Presentation: Inamori Hall, Shiran-Kaikan, Kyoto University
  • Year and Date: 2015-08-23
• [Presentation] 回転分子モーターF1-ATPaseの機能解析 (2015)
  • Author(s): 宗行 英朗
  • Organizer: 新学術領域「ゆらぎと構造」＋「分子ロボティクス」合同研究会
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス理学部1号館小柴ホール
  • Year and Date: 2015-06-27
• [Presentation] 外力存在下のF1-ATPaseの回転観察 (2015)
  • Author(s): 菊池洋輔，鳥谷部祥一，上野博史，宗行英朗
  • Organizer: 2015年生体運動研究合同班会議
  • Place of Presentation: 東京 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 改良した多リン酸力場を用いた ATP/ADP 結合状態の筋小胞体カルシウムポンプの分子動力学計算 (2014)
  • Author(s): 小室 靖明, 李 秀栄, 小林 千草, 宗行 英朗, 杉田 有治
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] F1-ATPase のP-loop変異体TF1(βG158A)に対するリン酸の阻害効果 (2014)
  • Author(s): 星名 仁志, 吉田 光, 伊藤 亜由美, 伊藤 丈太郎, 鳥谷部 祥一, 上野 博史, 宗行 英朗
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Nucleotide binding to TF1 β subunit in relation to the effect of Pi (2014)
  • Author(s): 長埜 陸, 小原 清志, 上野 博史, 宗行 英朗
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Rotor-Stator Interactions in V1 and Vo from Enterococcus hirae V-ATPase (2014)
  • Author(s): 上野 博史, 皆川 慶嘉, 原 舞雪, 山登 一郎, 野地 博行, 村田 武士, 飯野 亮太, 宗行 英朗
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Observation of the rotation of F1-ATPase under the constant external torque (2014)
  • Author(s): 菊池 洋輔, 上野 博史, 中山 隆宏, 宗行 英朗, 鳥谷部 祥一
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] TF1 β;E190D変異体の外部トルク依存性 (2014)
  • Author(s): 田中 真奈, 河上 知広, 鳥谷部 祥一, 上野 博史, 工藤 正史, 宗行 英朗
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Book] DOJIN BIOSCIENCE SERIES 17 一分子生物学 （原田 慶恵 石渡 信一 編 ） (2014)
  • Author(s): 上野博史, 鳥谷部祥一, 宗行英朗
  • Total Pages: 14
  • Publisher: 化学同人
• [Book] 化学フロンティアシリーズ 23 1分子ナノバイオ計測 （野地博行 編 ） (2014)
  • Author(s): 鳥谷部祥一，宗行英朗
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] 最近の研究から
  • URL: http://www.phys.chuo-u.ac.jp/j/muneyuki/?%BA%C7%B6%E1%A4%CE%B8%A6%B5%E6%A4%AB%A4%E9