2018 Fiscal Year Annual Research Report
Statistical physics and energetics for autonomous motion and functional design in active molecular engines
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
18H05427
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
前多 裕介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鳥谷部 祥一 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40453675)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 非平衡統計力学 / アクティブマター / 揺らぎ / 生体分子モーター / 集団運動 / ソフトマター / エネルギー変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，発動分子の設計指針をエネルギー論に基づいて構築するとともに，発動分子の集団運動制御および集団運動によるマクロな機能の発現のための理論・実験基盤を構築する．発動分子が集まって協働的な集団として振舞うことで，１分子では実現できないマクロな機能を発現する．そのためには集団運動の制御法を確立することが必要である．機能発現の可能性を探索するために，生体分子モーターのキネシンと微小管, ミオシンとアクチン骨格からなるアクティブゲルを対象にして秩序形成や運動や変形といったダイナミクスが現れる物理学的メカニズムを解明する．さらに, バクテリアの集団運動を境界形状で制御する幾何学的な関係式を明らかにしている．これをキネシン-微小管の集団運動の系にも発展させることで, 発動分子のマクロな機能発現の共通性と多様性を明らかにする．様々な発動分子の集団挙動を支配する力学原理をもとに，発動分子で自律的に動作する機能的デバイスの設計に関する共同研究にも着手している．
また，生体回転分子モーターであるF1-ATPaseは，極めて効率的に動くことが知られている．高いエネルギー変換効率の人工発動分子を実現するには, F1-ATPaseが実現している高効率のエネルギー変換機構を参考にし，さらに，エネルギー変換効率を計測して, その結果を分子設計にフィードバックするという戦略的なアプローチが肝心である．このために，非平衡統計力学に立脚した計測法を生体分子モーターに応用する．本年度は, これらの研究を推進するため, 生体分子モーターの精製系の構築, 回転電場法システムの改良, 他の研究グループとの共同研究に着手した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
生体発動分子の集団挙動に関して，キネシン分子モーターと微小管骨格が形成する集団渦構造を制御する幾何学的関係を見出した．これまでに得ているバクテリア集団運動との違いを比較し，分子モーター系に特有の集団運動の幾何学的特徴を理論的にも説明することができている．さらに，ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格がつくるアクティブゲルが細胞区画の対称性を力学的に決定する機構を実験および理論モデルから明らかにした．この成果の発展として，細胞運動や細胞変形のアクティブゲルモデルの構築にも成功している．更なる展開として，(i) 光刺激による集団運動の制御, (ii)ソフトマターにおける流動現象の解明と制御, についても計画通り共同研究に着手している，
次に，生体分子モーターF1-ATPaseが高効率に運動するメカニズムを明らかにすることを目指し，本年度はその基礎固めを行った．特に，(i)精製系を構築し，野生型F1-ATPaseの精製を行った．また，高精度トルク測定に向け，回転電場法システムおよび解析法を改良した．(ii)分子内の「エネルギーの流れ」を可視化するために，分子動力学の専門家と共同研究を開始し，研究の流れを確認した．さらに，(iii)F1-ATPaseのエネルギー論について，海外のグループと共同研究に関する議論をスタートした．
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| Strategy for Future Research Activity |
発動分子集団を対象とした研究は以下の計画で推進する．生体発動分子のミオシンはアクチン骨格に収縮力を及ぼすことで，細胞の運動や変形，細胞の分裂を司る．ミオシンが作るアクティブなゲル構造が変形や運動を誘起する仕組みを解明するため、共焦点顕微鏡によるイメージングとアクティブゲル理論による解析，フェーズフィールド法を用いた数値シミュレーションを行う．発動分子集団のダイナミクスをエネルギー論から捉えるため，運動速度と牽引力の同時測定を行い, 自発運動の仕事率を計測する．さらに，我々が得意とする微細加工技術と光制御技術を用いることで，アクティブゲルによる運動や変形の力学的メカニズムを明らかにする．得られる結果を光応答性の液晶ソフトマター材料の配向制御に応用し，発動分子集団のマクロな機能設計への道筋を確立する．
発動分子１分子を対象とした研究は以下の計画で推進する．F1-ATPaseの効率的な運動機構の動作原理を明らかにするため，野生型と効率の悪い変異型を比較する．1分子実験で得た回転トラジェクトリのみから，固定子-回転子間の相互作用ポテンシャルの形状，および，化学状態遷移の生じるタイミングを推定するアルゴリズムが完成している．これを用いて，野生型と変異型の化学-力学カップリングの違いを明らかにし，効率的な運動機構の原理を調べる．また，本来はATP合成酵素であるF1-ATPaseがATPを無駄に分解・消費しないように，ATP加水分解を防ぐラチェット機構「インヒビション」が備わると考えられる．我々が発展させてきた回転電場法を用いてインヒビションの外部トルク依存性を調べ，そのメカニズムを詳細に調べる．
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