2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems |
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| Project/Area Number |
25103010
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
好村 滋行 首都大学東京, 理工学研究科, 准教授 (90234715)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野口 博司 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00514564)
芝 隼人 東京大学, 物性研究所, 助教 (20549563)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 生体膜 / 非平衡 / 相分離 / 化学反応 / ずり流動 / ラフト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では、理論とシミュレーションを駆使して、多成分生体膜の相分離やゆらぎを媒介とした非平衡ダイナミクスを探求し、最終的にはそのメソ構造を制御することを目的としている。平成２７年度には、（１）積層脂質膜における相分離の連動性、（２）生体膜のブラウン運動、（３）BARタンパク質による膜チューブ形成、（４）高いトポロジー種数を持つベシクルの形態転移、（５）ゆらぐ脂質膜における３つの表面張力の関係のテーマで重要な研究成果を得た。
（１）に関して、我々は積層した二次元イジングモデルを用いて、異なる膜の相分離の連動性を調べた。その結果、膜間に有限の相互作用が存在すると、熱平衡状態においてドメインは必ず連結することが明らかになった。また、我々はドメインの成長ダイナミクスにも着目し、膜間に働く相互作用による成長指数の変化を検討した。その結果、温度クエンチの深さが膜間相互作用の増加とともに深くなることで、膜の相分離が加速されることがわかった。またクエンチの深さを一定にすると、系は二次元から三次元へのクロスオーバー現象を示した。
（３）に関して、バナナ状タンパク質による膜チューブ形成のダイナミクスをメッシュレス膜模型によるシミューレションを用いて研究した。タンパク質に沿った自発曲率に加えて、側方に弱い自発曲率を加えることでチューブ形成のダイナミクスが大きく変わることが分かった。平衡状態の性質はそれほど変化しないが、集合途中にみられるネットワーク構造の安定性が変わることによって、チューブ形成速度が大きく変わる。側方に負の自発曲率を持つ場合、膜全体に広がったネットワークを形成し、ネットワークからチューブが伸びる。それに対して、側方に正の自発曲率を持つ場合は、ネットワークは形成せずに、多くの短いチューブが形成される。このように、側方方向の相互作用も無視できないことが明らかとなった。
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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
平成２７年度の研究成果のうち、積層脂質膜における相分離の連動性、生体膜のブラウン運動、BARタンパク質による膜チューブ形成、高いトポロジー種数を持つベシクルの形態転移、ゆらぐ脂質膜における３つの表面張力の関係については、すでに論文として出版している。細胞のマイクロレオロジーについても、新しい研究成果が得られつつあり、研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２８年度は、アクティブな環境における生体膜のゆらぎについて考察する予定である。細胞膜と細胞骨格の間にはATPを用いたアクティブな相互作用が働き、これが細胞膜ゆらぎに影響すると考えられている。そこで我々はアクティブな細胞骨格による細胞膜ゆらぎへの影響について理論的な解析を行う。具体的には、細胞骨格を壁とみなし(1) 壁が動かない場合、(2) 壁がアクティブな場合、(3) 壁がアクティブでかつ固有の時間スケールを持つ場合について細胞膜の平均二乗変位(MSD)を計算する。また、マイクロレオロジーに関する研究として、細胞質を二流体モデルで記述して、その中に存在する多数のタンパク質が双極子的な力を発生する場合に、細胞質中の粒子がどのようなブラウン運動をするかを理論的に解析する。そのためには、まず二流体モデルのグリーン関数を求めた上で、さらにMikhailovらの定式化を拡張して、粘弾性中のアクティブな拡散係数を求める予定である。
さらに、平成２８年度にはバナナ状タンパク質の吸着による膜変形、化学反応による界面活性剤集合体の形態変化の研究を引き続き行う。タンパク質の吸着においては二種類のタンパク質が吸着する場合にどのような構造が形成されるか、および、その形成ダイナミクスを調べる。化学反応においては結合反応だけではなく、解離反応も含んだ系でシミュレーションを行う。球状のこぶのバディングや平板状の膜の形成の条件を明らかにする。
また、新しいテーマとして、表面帯電を伴う電解質添加剤としてのコロイド系、生体界面（軟骨など）に修飾された高分子ブラシ間の電解質溶液中でのダイナミクスを理解するために、界面-流体-静電相互作用を完全に取り入れた粗視化分子シミュレーションの手法構築を行い、流動・変形・イオンの不均一分布を伴った系に対する電解質添加の効果を調べる。
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