| 研究課題/領域番号 |
21H01048
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
水野 大介 九州大学, 理学研究院, 教授 (30452741)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2023年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2021年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
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| キーワード | 非平衡 / 非熱揺らぎ / 細胞質 / 細胞メカニクス / マイクロレオロジー / アクティブガラス / 代謝維持装置 / 非平衡力学 / アクティブ流動化 / 細胞質ガラス / 生体高分子機械 / 代謝活性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
細胞内の体高分子機械は、希薄なin vitro系よりも細胞内の混み合い環境の下で最適に稼働する。本研究では、生体高分子機械の稼働速度やエネルギー効率に対して、周囲媒質の“非平衡性”が及ぼす影響に着目して、この謎の解明に貢献する。
混み合い環境のもとで稼働する生体高分子機械は、周囲媒質との相互作用の下で非熱的な揺らぎを生み出す。非熱揺らぎの増大に伴って細胞質の流動が促進され、生体高分子機械の働きが亢進する。他方で、細胞内における非熱的な揺らぎは、系の熱力学温度を全く変えない程度の僅かなエネルギーしか持たない。本研究では、非熱的な揺らぎが細胞の挙動に影響する機序を非平衡統計学の観点から明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
生命の基本構成単位である細胞は、外界からエネルギーを受け取り、様々な形態に変換して利用した後、外部へと排出する非平衡開放系である。代謝活動とも呼ばれるこのエネルギー変換を伴う過程は、各種のモーター蛋白質等の蛋白質や核酸等からなる生体高分子機械が担う。その多くはATP等の高エネルギー分子が持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することで力を生成して、ナノスケールの仕事として個別の生理的な機能を果たす。他方で、細胞内は様々な生体高分子が押し詰められた混雑状態にあり、生体高分子機械はこうした周囲環境(細胞質)との強い相互作用のもとでその機能を果たす。したがって、生体内における代謝活動は、細胞質の力学的な状態に強く影響される。例えばモーター蛋白質を始めとする各種の生体高分子機械は、希薄なin vitro系よりも細胞内の混み合い環境の下で最適に稼働する。本研究では、生体高分子機械の稼働速度やエネルギー効率に対して、周囲媒質の“非平衡性”が及ぼす影響に着目して、この謎の解明に貢献する。
混み合い環境のもとで稼働する生体高分子機械は、周囲媒質との相互作用の下で非熱的な揺らぎを生み出す。申請者らはこれまで、非熱揺らぎの増大に伴って、細胞質の流動が促進され、生体高分子機械の働きが亢進することを報告してきた。すなわち、細胞内部の代謝活動は、非熱的な揺らぎによって物理的に活性化されている。他方で、細胞内における非熱的な揺らぎは、系の熱力学温度を全く変えない程度の僅かなエネルギーしか持たない。本研究では、熱揺らぎとは全く異なる統計的な偏りや時空間相関を示す非熱的揺らぎの実態を明らかにすることで、何故僅かなエネルギーしか持たない非熱的な揺らぎが系の非平衡挙動を大幅に変えるのか？非平衡統計力学の観点から明らかにする。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
光捕捉を用いた力の印加と粒子位置計測により、細胞内のマイクロレオロジー計測を実施した。代謝の活発な細胞内において揺動散逸定理の破れから見積もられる非熱揺らぎは低周波数側に偏在しているが、そのパワースペクトルは超低周波数域で平坦化していた。ただし同じ周波数域において熱的な揺らぎは平坦化せず、細胞質はまだ完全には流動化していないことも分かった。そこで、極めて微弱な光捕捉力(< 1 pN)で約1時間に亘り細胞内の粒子を牽引することで、細胞質の直流粘性率を得た。これにより、熱揺らぎ・非熱揺らぎが共に平坦化する領域で両者の強度を比較して、系の実効温度を得た。この実効温度と細胞の力学特性の関係性を代謝活動を調節しつつ比較することで、細胞質はアクティブガラスとしての特性を持つことが分かった。
代謝の活発な細胞質は固形物濃度の上昇とともに、アレニウス則に従った粘性上昇を起こしてガラス化する。ガラス研究では、密度(密度)上昇に伴うガラス化と温度低下に伴うガラス化には密接な関連があると信じられている。我々の実験結果は、活きている細胞質の粘性率が実効温度および降伏エネルギーで決定されるアクティブガラスとしての特徴を持つことを示している。また、降伏エネルギーと構造緩和時間の関係性は、構造緩和が低周波数域に偏在する僅かな非熱揺らぎのエネルギーで励起される機構を示唆する。
近年、細胞内に様々なミクロ相分離構造が発見され、複雑な生化学反応が混線することなく効率的に遂行される謎を解く鍵として注目されている。我々は、実効温度の高い細胞質は均一相を形成するのに対して、代謝活動を失代謝活動を失い実効温度が低下した細胞質は巨視的に相分離する傾向にあることも見出した。この成果は、平衡系の相分離挙動は系の熱力学温度が決定するのに対して、非平衡系である細胞内の相分離は実効温度が制御している可能性を示す。
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| 今後の研究の推進方策 |
計測装置の故障に伴う研究期間の延長(繰り越し)はあったものの、培養細胞内の揺らぎとレオロジー計測に関しては順調に推移している。実効温度と力学特性の関係性に関しても、様々に制御して細胞内環境下において順調に計測データが蓄積している。これらに関しては、次年度以降に速やかに国際学会等で報告するとともに、国際学術誌に投稿する予定である。また、得られた結果の解釈を行うためには、ガラス、およびアクティブガラスの理論に習熟して、理論研究者と共同で解析を行う予定であり、これも研究期間内に共同研究者を得て順調に開始・進行している。非熱的な揺らぎの非ガウス性(統計分布)が細胞質の性質・および細胞内の分子機械の性能に与える影響に関しては、不明な部分も多く、引き続き今後の検討課題である。
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