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2020 年度 実績報告書

発動分子の自律的運動と機能設計のエネルギー論的研究

計画研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 18H05427
研究機関九州大学

研究代表者

前多 裕介  九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)

研究分担者 鳥谷部 祥一  東北大学, 工学研究科, 准教授 (40453675)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワードアクティブマター / エネルギー変換 / 非平衡ゆらぎ / 回転分子モーター / べん毛モーター / アクトミオシン / 集団運動 / 人工細胞
研究実績の概要

前多Gでは,生体発動分子によって駆動されるアクティブマターの集団運動の研究を進めた.ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格タンパク質を含む卵抽出液を細胞サイズの区画に封入し,自律的に収縮するアクトミオシンゲルを含む人工細胞系を構築した.この人工細胞が自発的に内部構造の対称性を破ることを明らかにし,論文発表を行った(Nat. Commun.2020).また,人工細胞は内部のアクトミオシンの収縮から細胞膜近傍でずり応力が発生し,化学シグナルの伝達を要することなく自発的な運動を実現することを明らかにした.さらに,キネシン分子モーターと微小管細胞骨格の集団運動を制御する手法を整え,集団運動のパターン制御を実現すると共に理論的解析からパターン遷移の転移点を決定することに成功した.

鳥谷部Gでは,回転分子モーターF1-ATPaseおよびべん毛モーターのエネルギー変換機構について,1分子実験および統計力学的解析を用いて研究を進めた. 特に,F1-ATPaseの高効率なエネルギー変換機構の解明を目指し,分子内でのエネルギー・エントロピーの流れを計測する方法を模索した.モデルに基づいた数値計算により,固定子で発生したエントロピーを回転軸がくみ出して高効率な動作を実現していることが示唆された.さらに,回転自由度,固定子形状,化学状態の3自由度を用いたモデルを構築し,より詳細な解析を進めている.また,変異体のエネルギー収支を測定し野生型と比較を進めた.特に,詳細を調べるため分子動力学計算を用いた計算を導入した.これに加え,F1-ATPaseのブレーキ機構(インヒビション状態)のメカニズムを解明し,論文を投稿した(Nakayama and Toyabe, 査読中).さらに,バクテリアべん毛モーターの固定子組み込み過程の原理の一端を解明した(Ito, Nakamura, Toyabe, 査読中).

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

前多Gでは,生体発動分子が集まったときに現れるマクロな集団運動とその秩序形成について,(1)ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格および(2)キネシン分子モーターと微小管細胞骨格の2つの系を用いて研究を進めた.第一に,ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格タンパク質を含む卵抽出液を細胞サイズの区画に封入し,自律的に収縮するアクトミオシンゲルを含む人工細胞系を構築した.これまでに,人工細胞の内部構造の対称性が自発的に破れる仕組みを解明し,自発的運動が誘起される力伝達のメカニズムも明らかにしている.また,人工細胞の変形がアクティブゲルの新規の不安定性に誘起されるという知見を得た.さらに,キネシン分子モーターと微小管細胞骨格では、境界の幾何形状を設計した微小デバイスで集団運動を制御することに成功し,既に明らかにした遊泳バクテリアの幾何的手法が同様に有効であることを示した.

鳥谷部Gでは,生体分子モーターの高効率なエネルギー変換機構を明らかにすることを目指しており,モデル実験系として,回転分子モーターであるF1-ATPaseおよびべん毛モーターを用いている.今年度,F1-ATPaseの無駄なATP消費を抑えるインヒビション機構の動作メカニズムに関する論文を投稿した.また,F1-ATPaseの高効率なエネルギー変換機構のメカニズムを理解するため,非平衡統計物理学に基づいた計算を行い,固定子で発生したエントロピーを回転軸が汲みだしていることが示唆された.現在,より詳細なモデルを構築し,研究を進めている.さらに,吉留崇氏の協力を得て,分子動力学計算に基づいた計算を進めている.また,べん毛モーターが効率的なエネルギー戦略を実現するために利用しているトルク制御のメカニズムを調べた.新しい実験系を構築し,トルク制御メカニズムが固定子の協働性によって実現していることを明らかにし,論文を投稿した.

今後の研究の推進方策

前多Gでは引き続き,(1)ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格および(2)キネシン分子モーターと微小管細胞骨格の集団運動ダイナミクスについて研究を進める.アクトミオシンの自律的収縮で変形する人工細胞について,変形可能な膜界面と接するアクティブゲルの安定性解析を行い,変形の作動原理を明らかにする.特に、アクティブゲルと膜との相互作用を実験的な制御を検討し,1つの発動分子群から極性形成・自発運動・多様な変形が実現する統一モデルを構築する.さらに,キネシン分子モーターと微小管の集団運動のようなアクティブマター集団も発動分子の理解と制御に重要である.注目すべきは微小管のキラリティーによって集団運動の幾何的特徴が変化する点にある.既に遊泳バクテリアをモデルにした幾何的制御法を開発しており,発動分子の種別によらない集団運動の制御基盤の構築を推し進める.

鳥谷部Gでは,2020年度に引き続き,F1-ATPase内部で,ATP分解から回転運動へどのようにエネルギーが流れるのかを,実験,モデル計算,分子動力学計算を組み合わせて明らかにしていく.現在,回転角度,化学状態,固定子形状の3自由度に基づいたモデルを構築中である.これらの自由度間の相関を解析し,確率的熱力学および情報熱力学の理論を応用することで,各自由度の間のエネルギーと情報のやりとりを時間の関数として定量化することを目指す.また,F1-ATPaseは細胞内では別のFoモーターによって回されているが,Foがどのように回しているのかは分かっていない.そこで,F1-ATPaseをどのように回すのが最も効率的なのかを実験で調べる.特に,共同研究を進めているカナダのグループが発展させた理論を応用する.さらに,これまで用いてきたサブミクロンサイズのプローブのかわりに100nm程度の金ナノロッドを用いた,高精度エネルギー量測定の実現を目指す.

  • 研究成果

    (36件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 1件、 招待講演 9件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] ロンドン大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      ロンドン大学
  • [国際共同研究] ミネソタ大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      ミネソタ大学
  • [雑誌論文] 生体分子モーターの動作メカニズムとエネルギー論2021

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 雑誌名

      ペトロテック

      巻: - ページ: -

  • [雑誌論文] Tug-of-war between actomyosin-driven antagonistic forces determines the positioning symmetry in cell-sized confinement2020

    • 著者名/発表者名
      R. Sakamoto, M. Tanabe, T. Hiraiwa, K. Suzuki, S-i. Ishiwata, Y.T. Maeda and M. Miyazaki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 3063

    • DOI

      10.1038/s41467-020-16677-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Experimental characterization of autonomous heat engine based on minimal dynamical-system model2020

    • 著者名/発表者名
      S. Toyabe and Y. Izumida
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 ページ: 033146

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.2.033146

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 構成的アプローチで探る「発動する人工細胞」の設計原理2020

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, 前多裕介
    • 雑誌名

      化学と工業

      巻: 73 ページ: 463-465

  • [雑誌論文] 鋳型複製系における種の起源2020

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部 祥一, BRAUN Dieter
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 60 ページ: 295

    • オープンアクセス
  • [学会発表] Symmetry-breaking induced adhesion-independent motility of actomyosin droplets under confinement2021

    • 著者名/発表者名
      R. Sakamoto, Z Izri, M Miyazaki, Y.T. Maeda
    • 学会等名
      アクティブマター研究会2021
  • [学会発表] Chiral edge current and pairing order transition in the bacterial vortices2021

    • 著者名/発表者名
      K. Beppu, Z. Izri, Y. Sumino, Y.T. Maeda
    • 学会等名
      アクティブマター研究会2021
  • [学会発表] 遊泳バクテリア集団が示すキラルなエッジカレントと秩序渦の制御原理2021

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 住野豊, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 対称性の破れと界面摩擦が駆動するアクトミオシン液滴の自発運動2021

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, 宮﨑牧人, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 回転する弾性バブルの振動現象2021

    • 著者名/発表者名
      萩原宙, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 非平衡界面が誘起するセルフリー遺伝子発現における液液相分離現象2021

    • 著者名/発表者名
      加藤修三, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 温度勾配下における核酸高分子とペプチドの相分離液滴2021

    • 著者名/発表者名
      白井瑞穂, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] タンパク質ニードルの末端間相互作用と2次元表面上における集団秩序形成2021

    • 著者名/発表者名
      福山達也, 菊池幸祐, 上野隆史, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] DNA相補的結合のキネティックなエラー制御2021

    • 著者名/発表者名
      青柳拓志, 小野慎司, 鳥谷部祥一
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 原田-佐々等式が切り拓く分子モーターのエネルギー論2021

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 学会等名
      Across nonlinear and nonequilibrium physics: 原田崇広氏が切り拓いたもの
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子共存系の非平衡現象と生命システムへの展開2020

    • 著者名/発表者名
      前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 紡錘体の動的形状制御とアクティブゲルモデル2020

    • 著者名/発表者名
      福山達也, 厳路燦, 島本勇太, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] 遊泳バクテリア集団のエッジカレントとキラルな秩序渦2020

    • 著者名/発表者名
      別府航早, Ziane Izri, 住野豊, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] 分子レベルから探る細胞分裂の力学2020

    • 著者名/発表者名
      坂本遼太, Guillaume Charras
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] 自由エネルギーの浪費を抑えるF1-ATPaseの速度論的制御機構2020

    • 著者名/発表者名
      中山洋平,鳥谷部祥一
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] アクトミオシン液滴のダイナミクスと空間対称性の制御2020

    • 著者名/発表者名
      加藤修三, 坂本遼太, 宮﨑牧人, 前多裕介
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] Gene expression and artificial cells: Revisiting the role of active interface2020

    • 著者名/発表者名
      Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      日本生物物理学会第58回年会
    • 招待講演
  • [学会発表] A tug-of-war between contractile actomyosin structures determines the positioning symmetry in cell-sized droplets2020

    • 著者名/発表者名
      Ryota Sakamoto, Tetsuya Hiraiwa, Makoto Tanabe, Kazuya Suzuki, Shin-ichi Ishiwata, Yusuke T. Maeda, Makito Miyazaki
    • 学会等名
      日本生物物理学会第58回年会
  • [学会発表] Cooperative stator assembly of bacterial flagellar motor for autonomous torque regulation2020

    • 著者名/発表者名
      Kenta Ito, Shuichi Nakamura, Shoichi Toyabe
    • 学会等名
      日本生物物理学会第58回年会
  • [学会発表] Kinetic ratchet mechanism of F1-ATPase selectively suppresses hydrolysis of ATP2020

    • 著者名/発表者名
      Yohei Nakayama, Shoichi Toyabe
    • 学会等名
      日本生物物理学会第58回年会
  • [学会発表] Enhanced bacterial taxis by collective movement2020

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Kai, Takahiro Kai, Shuichi Nakamura, Seishi Kudo, Shoichi Toyabe
    • 学会等名
      日本生物物理学会第58回年会
  • [学会発表] キネティックな非平衡制御が生み出すエラー抑制 ー 生体分子機械とPCR ー2020

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 学会等名
      非平衡オンライン若手の会
    • 招待講演
  • [学会発表] 発動分子のエネルギー戦略:1分子実験でエナジェティクスを測る2020

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 学会等名
      CSJ化学フェスタ
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子共存系の非平衡現象と生命システムへの展開2020

    • 著者名/発表者名
      前多裕介
    • 学会等名
      新潟大学理学部化学科談話会
    • 招待講演
  • [学会発表] Understanding symmetry breaking induced by cell-sized compartments: a minimal cell approach2020

    • 著者名/発表者名
      Yusuke T. Maeda
    • 学会等名
      From Soft Matter to Protocell 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] F1モーターのエネルギー戦略― 高効率と低損失 ―2020

    • 著者名/発表者名
      中山洋平,鳥谷部祥一
    • 学会等名
      第10回分子モーター討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体分子モーターの高効率なエネルギー変換機構2020

    • 著者名/発表者名
      鳥谷部祥一
    • 学会等名
      法政大グリーンソサエティセミナー
    • 招待講演
  • [備考] 人工細胞でさぐる細胞の「対称性」の不思議

    • URL

      https://www.sci.kyushu-u.ac.jp/koho/qrinews/qrinews_200930.html

  • [備考] 細胞内構造の配置対称性が決まる仕組みを解明:人工細胞と物理学からメカニズムに迫る

    • URL

      https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/456

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公開日: 2021-12-27  

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