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2021 年度 実施状況報告書

生体分子モーターの内部で起きる非平衡散逸の定量と数理モデル解析

研究課題

研究課題/領域番号 18K03564
研究機関山口大学

研究代表者

有賀 隆行  山口大学, 大学院医学系研究科, 准教授(特命) (30452262)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2023-03-31
キーワード生体分子モーター / エネルギー変換 / 1分子計測・操作 / 非平衡物理学 / 生物物理
研究実績の概要

生体内で荷物を運ぶキネシンは、化学エネルギーを力学的な仕事へと変換する分子モーターである。その運動機構の理解の進展とは裏腹に、エネルギー変換の理解は進んでいなかった。私は、これまでの研究で1分子キネシンの力学操作と応答計測を行い、キネシンの運動に伴う非平衡散逸を定量した。その結果、入力された化学エネルギーの大部分が、計測プローブからは見えない形で、キネシン分子の内部から散逸されていることを新たに見いだした。本研究では、その未知の内部散逸がどう生み出されるのか、キネシンの分子内部でのエネルギーの流れの定量的な理解を目的として研究を行ってきた。令和2年度までに、実験結果からの要請を満たしつつ局所詳細釣り合いの条件を組み込んだ、キネシンの新しい理論モデルを構築し、さらに本課題と並行して得られていた外力ゆらぎによるキネシンの運動の応答の実験結果についても本課題で得られた数理モデルを適用して検証を行ってきた。令和3年度は、そのモデルを野生型キネシンだけでなく、キネシンの変異体、特に片方の頭部のみに変異を加えたヘテロ変異体で得られた実験結果にも適用すべく、理論の拡張を行った。その結果、これまでは一つのジャンプする質点として捉えていたキネシンの運動を、両足が交互に踏み出すモデルへと拡張できた。この新しいキネシン数理モデルは数値シミュレーションによってヘテロ変異体での負荷と速度の関係は再現できたが、外力ゆらぎへの応答や、非平衡散逸の変異体を用いた実験結果を正しく予言できるかどうかが今後の課題となっている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究は、実験と理論の両面から進める予定であったが、理論の方は順調に拡張が進んでいるものの、実験結果とのすり合わせに関しては、コロナ禍の影響もあり遅れている。

今後の研究の推進方策

今後は、ヘテロ変異体へと適用可能としたキネシンのモデルをさらに洗練させる。そのためには変異体を用いた新しい実験結果を再現できるかどうかが鍵となるため、その1分子計測系の確立と計測を推進していく。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍の影響によりキネシンの1分子計測実験が予定通り進まなかったため、未使用額が生じた。この未使用額については令和4年度の1分子計測実験に用いる実験試薬や光学機器の購入費、および研究補佐員の雇用経費として使用する。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2021 その他

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

  • [雑誌論文] Noise-Induced Acceleration of Single Molecule Kinesin-12021

    • 著者名/発表者名
      Ariga Takayuki、Tateishi Keito、Tomishige Michio、Mizuno Daisuke
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 127 ページ: 178101

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.127.178101

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Feedback Microrheology in Soft Matter2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Nishizawa, Natsuki Honda, Masahiro Ikenaga, Shono Inokuchi, Yujiro Sugino, Takayuki Ariga, Daisuke Mizuno
    • 雑誌名

      arXiv preprint

      巻: - ページ: 2106.05119

    • DOI

      10.48550/arXiv.2106.05119

    • オープンアクセス
  • [学会発表] 分子モーターキネシン1のゆらぎ誘導加速現象2021

    • 著者名/発表者名
      有賀隆行, 立石圭人, 富重道雄, 水野大介
    • 学会等名
      第59回 日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 人工的な疑似細胞内アクティブ環境 におけるキネシンの運動2021

    • 著者名/発表者名
      立石圭人, 有賀隆行
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] Motion of molecular motors reflecting rheological properties in cells2021

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Ariga
    • 学会等名
      The 2nd Joint Meeting of The European Society for Clinical Hemorheology and Microcirculation, The International Society for Clinical Hemorheology, and The International Society of Biorheology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 山口大学大学院医学系研究科 微生物学講座|有賀隆行

    • URL

      http://mb.med.yamaguchi-u.ac.jp/ariga/index.html

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公開日: 2022-12-28  

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