2022 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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| Project/Area Number |
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, 教授 (40453675)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子モーター / アクティブマター / エネルギー論 / 集団運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，発動分子の集団運動制御と機能発現のための理論・実験基盤を構築することを目標に研究を進めてきた．前多Gでは，発動分子集団が示す非平衡ダイナミクスと構造形成の理解を通じて，自律的な物質輸送などの機能創出につなげることを目指した研究を行った．本年度は分子モーターを内包する人工細胞が周囲環境との摩擦力を介して非接着型の自律運動を実現することを明らかにすると共に（PNAS 2022），この人工細胞内に現れるアクトミオシン収縮波が細胞空間に拘束されたアクティブゲルの力学モデルで説明することに成功した（Phys Rev Res 2023）．また，分子モーターによる細胞骨格構造体の成熟過程を機械学習法から解析し，可塑的安定性に関わる分子要素を同定した（PNAS2022）．以上の成果は，発動分子の集団運動の理解を基に，自律的動作と安定性を両立する機能分子材料の創出につながるものといえる．
鳥谷部Gでは，領域発足時より，生体分子機械のもつ高効率なエネルギー変換機構や整流作用を明らかにし，人工発動分子の設計指針を得ることを目標に研究を進めてきた．今年度は，昨年度から引き続き，回転分子モーターF1-ATPaseが持つ整流機構について，実験と理論の力面から研究を進めた．現在，論文を執筆中である（Nakayama and Toyabe）．また，F1-ATPaseが持つ効率的なエネルギー変換機構を理解するため，外部トルクによる最適制御法を探索した．数値計算を用いて，線形応答領域での最適制御法を見出した（Gupta et al., 2022）．さらに，1分子実験により，一定トルクで動かした場合と外部トラップで動かしたときの仕事量を比較し，後者の方が少なくなることを確認した．以上の結果は，特定の系によらない普遍的な性質を探求したものであり，最適な人工発動分子を設計するための指針として期待できる．
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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