2018 Fiscal Year Research-status Report
F1-ATPase の回転機構に関わる基本相互作用の解明：非平衡統計力学の応用
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17K05562
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐々木 一夫 東北大学, 工学研究科, 教授 (50205837)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉留 崇 東北大学, 工学研究科, 助教 (90456830)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | タンパク質分子モーター / F1-ATPase / 化学状態 / 相互作用ポテンシャル / ポアソン過程 / 統計解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き，タンパク質分子モーター F1-ATPaseの回転機構に関わる基本相互作用の解明に関して，二つの観点から理論的研究を進めた．一つは，F1-ATPaseの回転子に一定のトルクを加えたときに観察される拡散の増大に注目し，もう一つは，磁気ピンセットを使って回転子を強制的に回転させたときに得られる回転子の軌跡を統計的に解析するものである．
前者の解析では，拡散増大が起きる物理的機構を明らかにすることができた．F1-ATPaseは，回転子と固定子との相互作用による回転子の120°回転と化学反応による相互作用の切り換えとの繰り返しによって，継続的な回転を行っている．簡単なモデルを用いた解析により，この相互作用の切り換えがポアッソン過程で記述できるならば，切り換えまでの待ち時間と120°回転の継続時間がほぼ等しいときに拡散係数がピークを持つことが判明した．この成果を発表した論文は，掲載雑誌Physical Review Eの注目論文（Editors’ Suggestion）に選ばれた．
第二の研究では，Toyabeらによる先行研究（EPL, 2012）の方法に修正を加えて，F1-ATPaseの強制回転を記述する理論モデルのシミュレーションによって得られる軌跡を解析した．昨年度は，ポテンシャルの切り換えが起きるタイミグが回転子の角度に依存しない場合について，すべての回転角で相互作用ポテンシャルを推定することに成功したが，推定の精度があまりよくなかった．今年度は，精度を上げるために，数値データのばらつきを軽減する方法として，フーリエ級数によるフィッティング関数を使う方法を導入した．これにより，精度が向上しただけでなく，ポテンシャル切り換えのタイミングが回転子の角度に依存する場合でも，ポテンシャルの形状と切り換え速度の角度依存性を推定することが可能になった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
投稿論文の作成と再投稿のための原稿の書き直しに予想以上の時間がかかり，また研究協力者の修士課程の学生が就職活動のために研究のための時間が十分に確保できなかった．このような事情により，研究のための時間が十分にとれなかったため，予定していた目標までは到達できなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
F1-ATPaseの回転子を強制的に回転させたときに得られる回転子の軌跡のデータから，回転子・固定子間の相互作用ポテシャルを推定する昨年度の方法を改良して，これまでに解析してきた単純化した理論モデルではなく，より現実的なモデルを用いてポテンシャルの推定ができるようにしたい．
これまでは，１サイクルのATP加水分解反応により，ポテンシャルが切り替わるモデルを仮定した．このモデルでは，ポテンシャルの切り換えというのは，化学反応によってポテンシャルが回転角方向に120°シフトするだけでその形状は変わらないというものであった．実際には，加水分解反応の進行にしたがって，固定子の構成要素である三つのβ・サブユニットのそれぞれにおいて化学状態が４段階（ATPを結合した状態，ATP分解後のADPとリン酸を結合した状態，ADPを放出してリン酸だけを結合した状態，リン酸を放出して何も結合していない状態）を経る．
このような化学状態変化を考慮してGaspardとGerritsma （J. Theor. Biol., 2007）が提案した理論モデル（化学状態としては３状態だけを考慮）を参考にして，現実的なモデルを構築して，強制回転の軌跡のデータから各化学状態における相互作用ポテンシャルの推定を行う予定である．
昨年度の解析法の改良すべき点としては，数値データの平滑化のために導入したフーリエ級数によるフィッティングを使わずに，精度よくポテンシャルの推定を行うことである．この点に関しては，ポテンシャル推定の先駆者である鳥谷部氏との議論から着想した方法を試みる．
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Research Products
(12 results)
