2019 Fiscal Year Annual Research Report
物理的に妥当な関係式による生体分子モーターF1-ATPaseのエネルギー論の展開
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19H01864
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 壮伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (10642324)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子モーター / 非平衡熱力学 / 非平衡統計力学 / 生物物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究機関を移ったため、生体分子モーターF1-ATPaseの一分子実験を行うための実験系を整備し直した。本研究課題の肝である、Harada-Sasa等式に基づく熱の測定においては、回転電場法によってF1-ATPaseにトルクを加える必要がある。回転電場法のための実験装置も以前とは異なるものになったため、加わるトルクの基本的な性質について詳細に調べなおした。重要な性質のひとつとして、さまざまな要因によって実験中に起こる溶液の組成変化が、回転電場法によってF1-ATPaseに加えられるトルクの大きさ・向き・角度依存性にどのように影響するかを調べた。これによって、新しい実験系において回転電場法を用いた実験を安定して行える条件を明らかにすることができた。Harada-Sasa等式に基づく熱の測定を行う上では加えるトルクを正確に制御することが必要であるため、今後に向けて基礎的なステップを抑えることができたと考えられる。
また、新しい実験系を使って、F1-ATPaseの阻害状態と呼ばれるATP加水分解活性を持たない状態について一分子実験で調べた。この実験では阻害状態の性質を調べるとともに、一定のトルクの下におけるF1-ATPaseの運動時系列が多数得られたため、これまでに報告されている結果との整合性を確かめることで、新しい実験系でも妥当な結果が得られていることを確認することができた。阻害状態に関する結果は、現在論文にまとめている。
その他に、広く非平衡条件下で方向性を持って運動する物体の性質を調べることを目的として、断熱ピストンのしたがう運動方程式について明らかにした結果は、論文として出版した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で述べたように、実験系を新たに整備し直す必要があったが、その際に実験系の基本的な性質を洗い直した。そのため、実験系の基本的な点で今後問題が発生する可能性は小さくなり、これからの研究を効率よく進められるという意味で、おおいに進捗したと考えている。
また、F1-ATPaseの一分子実験の実験装置は、これまでも自動化が進められていたが、F1-ATPaseの阻害状態についての実験を行っている間に、さらなる自動化を進めた。これによって、一分子実験のスループットが今後さらに上がると期待している。
さらに、断熱ピストンのしたがう運動方程式を調べることで得られた知見は、F1-ATPaseの一分子実験で得られるデータをいままでとは異なる側面から解析することで、新たな結果が得られる可能性を示唆している。そのため、研究開始当初には想定していなかった方向へも進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
Harada-Sasa等式を物理的に妥当な形式に拡張する上では、応答を測定するために加えるトルクが系を記述する反応座標にどのように依存するかが重要であることが明らかになってきたので、回転電場法によって加えられているトルクの性質を実測することによって、物理的に妥当なだけではなく実験的に使い勝手の良い形にHarada-Sasa等式を拡張する。
望ましい形式の関係式を得たら、F1-ATPaseの一分子実験によって回転速度の相関関数・トルクに対する速度の応答関数・拡散係数の角度依存性といった量を測定して、F1-ATPaseが回転しているときに生じている熱を求める。同時に、従来のHarada-Sasa等式に基づく熱の評価も行い、得られる結果の比較を行うことで、従来の解析が前提としていた仮定の妥当性について明らかにする。また、反応座標のしたがう方程式として1変数のLangevin方程式を仮定した場合に得られる結果との関係についても、熱の値を比較することによって調べる。
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