生物の細胞内は、酵素など分子機械を含む多種多様な分子で混雑した、不均一な環境である。本研究の目的は、このような環境での反応拡散過程が、通常の反応拡散系(偏微分方程式系)の振舞いとどう異なるかを明らかにすることである。前年度までに、分子機械を大きさの変化する粒子として表現することにより、分子間の力学的な相互作用が反応に及ぼす影響を表現する簡単なモデルを構成し、シミュレーションにより、時空間パターンや反応速度の相転移的変化、隣接分子による障壁の効果を確認した。 今年度は、この障壁の効果に特に注目した。反応生成物が分子機械(酵素)を活性化する場合に、一定の条件の下で、分子機械の動作(構造変化)が、分子間に隙間を生じさせ基質・生成物の流れを引き起こす現象が見られた。これにより、不活性な分子機械のクラスタと、活性化された分子機械を含む流路との分離が起こるのが観察された。現在、発生条件やパターンの時空間スケールなど詳細を検討中である。 また、前年度までの研究は、同種の分子機械が密集したクラスタを想定していた。実際の細胞内には多様な分子が存在することから、低分子を含め複数種の分子が混在する場合にモデルを拡張した。これまでに展開した議論が、分子機械の密度が低く、間に溶媒・脂質等の低分子が存在する、より現実的な状況においても概ね成立することを示した。 以上の成果は、混雑環境下において、分子機械の構造変化と機能との相関が、系の時空間パターンに顕著な効果を及ぼす可能性を示している。本研究の範疇を超えるが、今後、分子機械の動力学的なモデリングと組み合わせることで、化学・力学的相互作用が複合したシステムである生物の理解につながると期待される。
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