2018 Fiscal Year Annual Research Report
F1-ATPaseの高効率なエネルギー変換を実現するメカニズムの解明
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17K14373
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中山 洋平 東北大学, 工学研究科, 特任助教 (20757728)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分子モーター / 生体エネルギー変換 / 非平衡統計力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体分子モーターF1-ATPaseを、生理的な条件下での基質であるアデノシン三リン酸(ATP)ではなく、その類似体をエネルギー源として回転させたときのエネルギー効率を調べるための、よりロバストな方法を発見した。前年度の研究では、統計推定の枠組みに基づいて、ATPの類似体の加水分解前後の自由エネルギー差を求める方法を開発したが、一分子実験で得られる時系列データの質によっては、自由エネルギー差の値がロバストに求められないことが、今年度の研究で明らかになった。新しい方法では、エネルギー変換効率が100%である場合、F1-ATPaseがする仕事の大きさが基質およびその加水分解生成物の濃度に対してどのように依存するかは既知であることを利用して、そこからの逸脱を検出することでエネルギー変換効率を議論することができる。この手法は、基質をATPの類似体に置換する場合だけでなく、さまざまな実験条件の違いによってATP加水分解前後の自由エネルギー差が不明な場合にも適用できる、という点で有用と考えられる。
また、F1-ATPaseも含めて、広く非平衡条件下で方向性を持って運動する物体がしたがう運動方程式として、新しい種類の形があることを理論的に明らかにした。この結果は、実験で得られる時系列を詳しく解析し直すことで、その背後にある運動方程式としてこれまでに知られていない形が得られる可能性を示唆するものである。
前年度に得られた、Feynmanラチェットの熱機関としての効率がカルノー効率に到達しないという結果、および線形非平衡熱力学と粗視化で隠れるエントロピー生成の関係を明らかにした結果は、論文として出版することができた。
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