2021 Fiscal Year Annual Research Report
Autonomous mechanics of biological nanomachines elucidated by coarse grained models
Publicly Offered Research
| Project Area | Information physics of living matters |
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| Project/Area Number |
20H05538
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
好村 滋行 東京都立大学, 理学研究科, 客員教授 (90234715)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノマシン / 非平衡 / ソフトマター / 酵素 / ラチェット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は複雑な非平衡過程を有するマイクロマシンにおける普遍的な動力学の理解を目的としている。平成３年度には、触媒反応による非平衡過程を奇弾性率で記述し、構造変化の統計的性質を調べた。まず、マイクロマシンの構造変化の動力学を記述するために、内部自由度に対するランジュバン方程式を考えた。ここで、二自由度以上の系では輸送係数、弾性係数、拡散係数は二階の行列になる。熱平衡状態ではこれらの行列が対称行列となるが、非平衡系ではこの対称性が破れることが近年議論されている。そこで、我々は触媒反応による非平衡過程を記述するために弾性係数行列の反対称成分（奇弾性率）を導入した。
まず、我々は奇弾性率を含むランジュバン方程式から得られた時間相関関数が時間反転対称性を破ること示した。特に時間相関関数の初期微分が奇弾性率に比例することがわかった。また、奇弾性率の存在下では、熱平衡では見られない時間相関関数の振動が見られることがわかった。次に我々はオンサガー・マクラップ変分原理をランジュバン方程式に適用することで構造変化過程の最頻経路を解析した。その結果、奇弾性率が存在すると、行きと帰りで経路が異なる非相反な最頻経路が導かれた。これは構造変化の対称性が触媒反応のエネルギー注入によって破れることを示す。最後に粘性流体中に3つの球を2つのバネで結合した構造物を考え、変形と重心の運動をランジュバン方程式で記述した。その結果、奇弾性率に比例した速度で構造物が遊泳することが示された。全体として、奇弾性率による化学反応の粗視化記述により、非平衡動力学で本質的な時間や経路等の対称性の破れを説明することに成功した。今後、実験や数値シミュレーションによって、実際のタンパク質との対応関係が整理され、奇弾性率が非平衡系を記述する際の標準的な物理量になると期待できる。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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