2019 Fiscal Year Annual Research Report
Statistical physics and energetics for autonomous motion and functional design in active molecular engines
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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18H05427
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
前多 裕介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鳥谷部 祥一 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40453675)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | アクティブマター / エネルギー変換 / 非平衡ゆらぎ / 回転分子モーター / べん毛モーター / 集団運動 / 人工細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前多Gでは，生体発動分子によって駆動されるアクティブマターの集団運動の研究を進めた．バクテリアはべん毛モーターで水中を遊泳するアクティブマターである．高密度のバクテリア懸濁液では多数の渦に組織化した集団運動が生じることが知られており，この集団運動を制御するため，バクテリアの遊泳運動のキラリティーを増強させるマイクロ流体デバイスによる制御法を構築した．キラルな渦同士の相互作用では，より大きなサイズの渦へと成長する幾何学的特徴をもつことをVicsekモデルの平均場理論から明らかにした．
さらに，ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格を含む卵抽出液を細胞サイズの区画に封入し，自律的に収縮するアクティブゲルを再構成した。この細胞サイズのアクティブゲルは自律的に変形し，細孔内を自発的に運動する．この人工細胞の運動が境界との摩擦力に駆動されることを理論と実験から明らかにした．
鳥谷部Gでは，回転分子モーターF1-ATPaseおよびべん毛モーターのエネルギー変換機構について，１分子実験および統計力学的解析を用いて研究を進めた． 特に，F1-ATPaseのブレーキ機構（インヒビション状態）の挙動を明らかにし，実験結果を説明する新しい理論モデルを構築した．また，F1-ATPaseの高効率なエネルギー変換機構を明らかにするため，３種類の変異型F1-ATPaseと野生型F1-ATPaseの比較実験を行い，野生型の高効率性を発見した．
また，べん毛モーターのデューティ比を測定することに初めて成功し，論文を出版した（Sato, et al., Biophys. J.）．さらに進めて，べん毛モーターの固定子結合ダイナミクスを明らかにした.
さらに，自律的な非平衡系のマクロなモデル実験として，スターリングエンジンを用いた実験を行い，そのダイナミクスを少数自由度のモデルで記述することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前多Gでは，遊泳バクテリアの集団運動を制御するため，渦の秩序度に着目した幾何学的制御の手法を考案した．渦のサイズと渦間の距離の比が重要な制御パラメータであることを既に明らかにしていたが，本年度は新たに転移点がアクティブマターのキラリティーで調節できることを示し，その具体的な転移点を与えるルールを明らかにした．個々の発動分子のキラリティーの設計がマクロな集団運動を制御するメカニズムがわかったことで，より分子集団の秩序形成と機能発現の設計指針が明らかになった．さらに，アクチンとミオシン分子モーターを含む細胞抽出液を細胞サイズの液滴に封入して構築した自律運動アクティブゲルは，発動分子の集団運動としては新規のダイナミクスである．この運動が底面との摩擦力を介していることをマイクロ流体デバイスの実験から見出しており，研究は計画通り進行している．
鳥谷部Gでは，生体分子モーターの高効率なエネルギー変換機構を明らかにすることを目指している．2019年度は，回転分子モーターF1-ATPaseの無駄なATP消費を抑えるインヒビション機構を１分子実験により実証し，また，モデルにより実験結果を説明した．エネルギー変換機構自体についても，野生型と変異型の回転による熱を測定して比較し，野生型の効率が有意に高いことを発見した．この違いが生じるメカニズムを理解するため，現在，研究を進めている．また，べん毛モーターが効率的なエネルギー戦略を実現するために利用しているトルク制御のメカニズムを調べた．べん毛モーターのデューティ比を測定することに成功するとともに，トルク制御メカニズムが固定子の協働性によって実現していることを初めて明らかにした．また，生体分子モーター等の自律的な非平衡のモデル実験系として，スターリングエンジンの回転機構を調べた．以上のように，研究は計画通り順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに前多Gでは，アクティブマターのキラル渦と集団運動の幾何学的制御について基礎的な理論モデルを構築した．遊泳バクテリアの配向相互作用は極性に従うものであり，キネシン-微小管の生体分子モーターのように前後の極性を区別しないネマチック相互作用では，キラリティーに誘起される集団運動に特異的な幾何学的制御が可能となると予測される．これを明らかにし，分子配向の特徴に根ざした発動分子の集団運動の制御指針を確立する．更に，アクティブゲルの自律運動を連続体モデルから解析し，自律的な収縮力を発生する発動分子の作動原理を解明する．これを収縮力を発揮する人工発動分子の集合体（人工アクティブゲル）に展開するため，ナノスケールでの運動制御についても解析を進める．収縮力を制御しながら動く発動分子の理解は光で配向する液晶デバイスにも援用できるため，光アクチュエーターとして利用可能な発動分子デバイスに実装する．
鳥谷部Gでは，2019年度，野生型に比べて効率が低いF1-ATPase変異型として３つの変異型を特定し，回転による熱散逸量や固定子の硬さなどの基本的な量の測定に成功した．2020年度は，これらの変異型の固定子-回転子間の相互作用ポテンシャルを測定し，野生型が高効率を実現するメカニズムについて考察し，論文としてまとめる予定である．
また，F1-ATP内部で，ATP分解から回転運動へどのようにエネルギーが流れるのか，その可視化に挑戦する．これまでは回転角のみを解析していたが，１分子観察の動画から，他の自由度についての情報も得られる．そこで，軸の回転角，あおり角，回転半径の３自由度の運動を解析する．これらの自由度間の相関を解析し，最近発展している確率的熱力学および情報熱力学の理論を応用することで，各自由度の間のエネルギーと情報のやりとりを時間の関数として定量化することを目指す．
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