2021 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, 教授 (40453675)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | アクティブマター / エネルギー論 / エネルギー変換 / ソフトマター / 生体分子モーター / 揺動散逸定理の破れ / 人工細胞 / 集団運動 |
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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から明らかにし，発動分子の集団運動制御と機能発現のための理論・実験基盤を構築する．
前多Gでは，自律的に運動する物質群（アクティブマター）の集団運動の理解と制御を進めることで，発動分子の集団運動により動作するデバイスを創出することを目標としている．多数の発動分子が示す集団運動のダイナミクスを計測し，構造形成の制御を行う．具体的には生体分子モーターが集合した細胞骨格の高次構造体や自律的な力発生に駆動される人工細胞の自律的運動をモデルとして，発動分子による構造形成と集団運動の制御原理を明らかにした．得られた集団運動の制御では微小デバイスの幾何形状に基づいたルールに基づいており，物質輸送デバイスの設計に向けた研究を更に進めている．
鳥谷部Gでは分子モーターF1-ATPaseが高効率性を実現するメカニズムを明らかにするため，エネルギー変換に重要な固定子ヒンジ領域に変異を持つ変異体を用いた実験を行った．その結果，モーター内部からのエネルギー散逸はヒンジの硬さにほぼ依存しないことが分かった．この結果は，以前提唱された理論モデルを支持するものであり，エネルギー変換機構に関する重要な示唆が得られた．また，生体内ではFoモーターがF1モーターを強制回転させ，その力学的な仕事を化学的な自由エネルギーに変換してATPを合成している．しかし，実験手法が限られていることもあり，ATP合成については詳しく調べられていない． そこで，回転電場法を用いた外部トルク印加法を用いてATP合成時の回転を詳しく調べたところ，ATP加水分解とは異なり，ミカエリスメンテン式に従わないという興味深い結果が得られた．特に，基質量が少なくてもATP合成能が損なわれないという合理的な性質を発見した．
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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
前多Gは遊泳バクテリアをモデルとして集団運動にみられる渦運動のパターン制御を進めた．バクテリアを高密度に封入する微小デバイスを開発し，その集団運動パターンの計測とVicsekモデルに基づく理論解析を行った．その結果，渦の幾何学に基づいたルールによって集団運動を制御することに成功した．この幾何的ルールはバクテリアだけでなくキネシン分子モーターで駆動される微小管の集団運動でも同様に成り立つことも明らかとなり，物質の詳細や相互作用の種別によらないルールであることがわかった．今後はこの幾何的ルールに基づいた集団運動の制御デバイスの設計を進めていく．また，ミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格からなるアクトミオシンゲルを細胞サイズ液滴に封入し，微小空間の配置対称性・並進対称性・回転対称性の制御を実現する連続体モデルの構築にも成功している．
鳥谷部Gでは，生体分子モーターの高効率な動作原理を調べることで，効率的な人工モーターの設計指針を得ることを目標に研究を進めている．特に，回転分子モーターであるF1-ATPaseのエネルギー変換機構について，1分子実験を駆使して研究している．今年度までに得られた研究成果から，ATP加水分解を駆動力とする回転機構のエネルギー変換メカニズムに関して，定量的な理論モデルをほぼ確定することができた．一方，力学的な仕事からATP合成への変換については研究の蓄積が少ない．しかし，今年度までの研究成果から，単に変換効率が高いだけでなく，ATPの無駄な消費を抑えたり，ADPなどの基質が減少してもATP合成能が維持されたりするという，新規メカニズムを発見した．さらに，数理モデルを構築し，そのメカニズムを特徴づけることができた．これらの性質は，ATPを合成するというF1-ATPaseの主役割にとって合理的であり，高効率な人工分子モーターの設計指針につながると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
前多Gは分子モーターが駆動する集団運動を微小デバイスにより制御し，自律的に動作する新規デバイス設計を目指す．第一に，キネシン分子モーターに駆動される微小管の集団運動を円柱格子のデバイス内で計測し，運動制御の幾何学的原理を明らかにする．円柱のサイズと格子間隔が適切な条件で集団運動の整流作用を見出しており，そのメカニズムを理論および数値計算により解明する．また，自律的な物質運搬デバイスに利用可能な分子モーターはキネシンに限らず，収縮力を発生するミオシン分子モーターとアクチン細胞骨格の複合体も重要な発動分子系である．これまでにアクトミオシンゲルによる物質配置の制御や細胞運動の解析を進めて来たが，力発生と周期的自律振動の関係については詳細な理解を得ていない．同様にデバイスの幾何形状や表面組成に応じたアクトミオシンゲルの動態変化を解析し，連続体モデルから解明する．最終的にはこれらアクティブマターの集団運動を組み合わせ，生命システムのような統合型デバイスの設計指針を創出する．
鳥谷部GはF1-ATPaseのATP合成回転時に着目し，そのエネルギー論を詳しく調べる．細胞内ではFoがF1を強制回転させ，その力学的な仕事を化学的な自由エネルギーに変換してATPを合成している．令和3年度に，ATP加水分解とは異なり，ATP合成はミカエリスメンテンモデルに従わないという興味深い結果が得られた．今年度はデータの質をさらに高めて論文を投稿する．また，FoがF1をどのように回しているのかは詳しく分かっていないが，どのように回せばより効率的かは実験で調べることが出来る．そこで，回転電場法および振動電場法を用い，一定トルクで回転させた場合と，角度トラップをして一定速度でトラップを回したときに，どちらの方がより少ない仕事で回せるかを計測する．これらの実験結果から，Foによる制御機構についてのヒントを得る．
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