| 研究課題/領域番号 |
19H01864
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
中山 洋平 東北大学, 工学研究科, 特任助教 (20757728)
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| 研究分担者 |
中村 壮伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (10642324)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 分子モーター / 非平衡熱力学 / 非平衡統計力学 / 生物物理 |
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| 研究実績の概要 |
生体分子モーターF1-ATPaseが回転するときに生じる熱を、反応座標の選び方によらない形に拡張したHarada-Sasa等式に基づいて調べるために、まず内部散逸が極めて小さいという結論の根拠となったオリジナルのHarada-Sasa等式を用いて得られた結果を改めて実験的に検討した。
現時点では、実験で得られているデータ量が十分でないこともあり、明確な結論には至っていないが、F1-ATPaseの回転運動を可視化するためのプローブの粒子径や、応答を測定する際の摂動の加え方といった具体的な実験条件が、最終的に得られる熱の値に影響を与える可能性が出てきている。そのため、さらに広い範囲の条件で実験を行い、先行研究の結論がどの程度広く成り立つかを調べることが重要になってきている。
加えて、前年度に行なった、F1-ATPaseの阻害状態と呼ばれる触媒活性を持たない状態についての実験結果に触発されて、生体分子モーターにおける駆動力に対する応答の非対称性の理論的な側面についても調べた。そして、熱力学的不確定性関係の一般化として最近提案された揺動応答不等式を応用することで、応答の非対称性に関する不等式が得られることを明らかにした。ただし、この不等式は一般には値を評価することが簡単ではない項を含んでいるため、実際に有用な関係式が得られるかどうかが今後の課題である。
また、F1-ATPaseの研究で用いられる主要な変異体のひとつであるβE190Dの熱力学的な効率を測定して、野生型では効率がほぼ100%であるのに対して、βE190D変異体は効率が低いことを示した結果を、論文として出版することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
反応座標の選び方によらない形にHarada-Sasa等式を拡張することで物理的に妥当な方法でF1-ATPaseが発生している熱について議論する、という本研究課題の当初の目的に加えて、そもそもオリジナルのHarada-Sasa等式から導かれた結果の成立範囲はどの程度広いのか、という論点があることが明らかになってきたことは、大きな進捗である。拡張したHarada-Sasa等式に基づく実験と並行して、オリジナルのHarada-Sasa等式による熱の測定もさまざまな実験条件で行って比較することで、今後の発展が期待できる。
揺動応答不等式のF1-ATPaseへの応用については、駆動力に対する応答の非対称性だけではなく、Harada-Sasa等式に現れる量であるパワースペクトル・応答関数に関する不等式も導けることが明らかになってきている。拡張したHarada-Sasa等式とこれらの不等式を組み合わせることで、さらに強力な理論的な枠組みを構築できれば、実験を簡素化するなどの方向でも役に立つことが期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験条件をこれまでよりも広い範囲で変化させて、反応座標の選び方によらない形に拡張したHarada-Sasa等式とオリジナルのHarada-Sasa等式の両方を用いて、F1-ATPaseが生じている熱の評価を行なっていく。これによって、ふたつのHarada-Sasa等式から得られる結果の違いを明らかにすると同時に、F1-ATPaseの内部散逸が、実験条件に影響を受けづらい普遍的な性質を持っているのかを明らかにする。特に、摂動の加え方については、先行研究の間でも異なっている部分があるので、この点が結果にどのように影響するかを明らかにする。
また、揺動応答不等式から導いたパワースペクトル・応答関数に関する不等式は、実験において測定すべき量の間に制約を課しているとみなせるので、その制約を利用することでF1-ATPaseの生じる熱の測定を効率化できないかについて、理論的に調べていく。
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