F1モーターを情報熱力学の観点から理解する

公募研究

研究領域	情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
研究課題/領域番号	20H05545
研究種目	新学術領域研究(研究領域提案型)
配分区分	補助金
審査区分	複合領域
研究機関	中央大学
研究代表者	宗行英朗中央大学, 理工学部, 教授 (80219865)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス	完了 (2021年度)
配分額 *注記	2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円) 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円) 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード	生体エネルギー変換 / F1モーター / 分子動力学計算 / ラチェットモデル / 分子モーター / 能動輸送系 / F1 / エネルギー変換 / 情報熱力学
研究開始時の研究の概要	本研究では，分子モーターの一つであるF1 モーターを情報熱力学の観点から理解することを目的とする．そこでまず，モーター内部のサブユニットの構造変化の相関を分子内での情報伝達と見なして，サブユニットの界面にあるアミノ酸残基の変異体を作ることで分子内の情報伝達を低下させる．そしてその低下がどのようにエネルギー変換効率に影響するかを検討する．さらに申請者が以前提出した二つのラチェットを共役してエネルギー変換をするモデルの中のラチェットを蛋白質の中のサブユニットと捉え，モデルのパラメーターを様々に変化させて解析し，その挙動を実際の分子モーターの挙動と比較，検討し，分子モーターを情報熱力学から理解する．
研究実績の概要	F1モーターはATP合成酵素の可溶性部分であり，膜貫通領域にあるFoモーターと結合して膜内外のイオンの電気化学的ポテンシャル差を利用してATPを合成する重要な酵素の一部である．そして，これが回転分子モーターであることが日本のグループにより実証されてきた．このF1モーターは生物種によってさまざまな違いがあり，一分子回転観察，結晶構造解析や，電子顕微鏡による単粒子解析などで得られた原子レベルの分子構造，人工膜への再構成による電気化学的なプロトン輸送の測定，生化学的，反応速度論的な研究が行われてきている．本研究では多くの種類のあるF1モーターの中でも，特に実験データが出そろっている好熱菌PS-3由来のTF1について，分子動力学計算による回転機構の追求をおこなった．分子動力学計算によるF1モーターの研究はすでに様々な形で行われており，とくに興味がもたれるのは，αサブユニットとβサブユニットからなるα3β3複合体でのATP加水分解反応による構造変化がいかにして中心軸となるγサブユニットの回転を誘起するかである．本研究で特筆するべきことは，回転子であるγサブユニットに外力をかけて変化を見てきた今までの研究とは異なり，γサブユニットには外部から拘束をかけずに，それを取り囲むαサブユニットとβサブユニットだけに力を加えてγサブユニットの80°のステップ回転を引き起こさせているところである．その結果，分子内の構造変化の原因と結果の関係，あるいは情報伝達の因果関係が見えてきた．現在この結果は論文にまとめているところであり，今後は40°のステップ回転についての研究も行って，120°回転によるトルク発生の全容を明らかにする予定である．
現在までの達成度 (段落)	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
今後の研究の推進方策	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。