2013 Fiscal Year Research-status Report
微小管系分子モーターの化学-力学共役機構と力学的破断特性の統一的解明
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25610121
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Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
墨 智成 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (40345955)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 分子モーター / 化学-力学共役機構 / 確率的モデリング / 力学的破断過程 / 単一分子計測 / キネシン / ダイニン |
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| Research Abstract |
微小管系分子モーターの一つであるキネシンを対象にして、これまでに報告されている単一分子観測データを徹底的に調査／分析し、化学-力学変換機構を表現する確率的モデルを構築した。キネシンは二つの足の各々にATP結合サイトを持ち、単独で持続的二足歩行することが可能な分子モーターである。
(1)各足のヌクレオチド結合状態に依存した微小管との結合の強さおよび(2)化学的状態遷移の間に存在する分子内張力に起因した対称性／非対称性に基づく考察により、これまで考慮されてこなかった力学的ステップ遷移および化学的状態遷移を取り入れた確率的ネットワークモデルを構築し、これまで知られていた描像とは異なる以下の結果を導きだした。
(1)ATP高濃度下での前進ステップ遷移では、これまで考えられてきた後足でのATP加水分解に続く前足へのATP結合を経由する標準的サイクルではなく、後足での加水分解を待たずに前足へのATP結合が確率的に生じ、後足でATPが加水分解によりADPへと化学変化して後足と微小管との結合状態が弱結合へと変化した後、後足が前方に踏み出すサイクルを主に使っている可能性が示唆された。
(2)後方へ高負荷が掛けられた時の後退ステップ運動を最小限に抑えるために、微小管と弱結合と成るADP結合状態が前足に出現するサイクルを極力回避するような状態遷移ネットワークを有する可能性が示された。
(3)ATP低濃度条件下において、前方への負荷もしくは後方への低負荷が加えられた場合に限り、前足へのATP結合を介在しない力学的ステップ遷移が生じる可能性が示唆された。
以上の結果は、基本的にATPは各足へ結合しやすくかつ脱離しにくいという化学的性質、およびADPは基本的に各足から脱離もしくは各足へ結合しやすいという化学的性質、並びに前足と後足の間に働く分子内張力に起因した化学反応速度の対称性／非対称性のみから自然に導かれる確率過程であることが明らかと成った。
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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
キネシンに関する現在までに報告されている単一分子観測データを再現する確率的ネットワークモデルを構築することができた。その結果を解析することにより、これまでに知られていなかった上述の様な物理的洞察を得た。これは初年度に予定していた以上の進展である。単独で持続的に二足歩行しながら貨物輸送する他の細胞骨格系分子モーターに対しても同様なアプローチが有効であることが示されたので、今後の進展が期待出来る。
また、研究実績の概要では述べなかったが、キネシンの単一分子観測データの理論的解析から、外部負荷による微小管からの破断過程には、異なる長さスケールを持つ複数の状態が関与していることが明らかに成りつつある。この解析結果は、もう一つの代表的な微小管系分子モーター、ダイニンに関しても同様な可能性を示しており、本研究の目的である化学–力学変換機構と特異的破断特性の統一的理解に向けた大きな進展であったと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
（今後の推進方策）
研究計画では予定していなかったが、単独で持続的に二足歩行しながら貨物輸送する細胞骨格系分子モーター、ミオシンVに関しても、これまでに報告されている単一分子観測データを再現する確率的ネットワークモデルを構築し、キネシンと比較しながら、両者の類似点および相違点を明確にすることにより、分子モーターの化学–力学変換機構に関する新たな物理的洞察の獲得を目指す。これまでは主に観測結果をベースにした確率的モデリングによるトップダウン的研究であったが、分子モデルを出発点にした統計力学と分子シミュレーション法による自由エネルギーランドスケープに基づくボトムアップ的研究も行うために、方法論の開発を同時に進めてゆく予定である。
（次年度の研究費の使用計画）
巨大な分子モーターと細胞骨格および大量の水分子を含む大規模系の分子シミュレーションおよび密度汎関数理論に基づく自由エネルギー計算を行うために、GPGPUを搭載した高速計算機ワークしテーションを購入する予定である。また、共同研究者であるMax-Planck Institute (MPI) of Collides and InterfacesのStefan Klumpp博士との議論のために、MPIに数週間滞在するための経費として使用する。また、情報収集および成果発表のために国際学会に参加する予定であり、その出張旅費として用いる。
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[Presentation] 蛋白質間相互作用と溶媒効果2013
Author(s)
墨智成, 今村比呂志, 森田剛, 磯貝泰弘, 西川恵子
Organizer
2013年日本化学会中国四国支部：若手セッション企画「機能性ソフトマテリアルと分子統計化学」
Place of Presentation
広島大学
Year and Date
20131116-20131116
Invited
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