歩行型生体分子モーターのエネルギー入出力を解明
山口大学大学院医学系研究科の有贺隆行准教授（特命）は、青山学院大学理工学部物理?数理学科の富重道雄教授、九州大学理学部物理学科の水野大介准教授と共同で、歩行型生体分子モーターであるキネシンのエネルギー入出力を、実験?理论の両面から初めて明らかにしました。
细胞内では多数の生体分子モーターが细胞内のあちらからこちらへと荷物を运んでいます。その一つ、「キネシン」は细胞内の微小管と呼ばれるレールの上を、文字通り歩きながら荷物を运んでいます。そのために使われる燃料は、生体内のエネルギー通货と呼ばれる「础罢笔」です。キネシンは础罢笔が持つ化学エネルギーを、荷物を运ぶ运动へと変换するため、一つのエネルギー変换装置であるとも言えます。キネシンを始めとする歩行型生体分子モーターの详细な运动のしくみは、近年発达してきた1分子计测技术が明らかにしつつあります。ところが、それらの分子に対するエネルギーの入出力を定量的に评価した研究はありませんでした。
エネルギー変换の理解は大切です。例えば、自动车のエンジンでも、その燃费の良さを定量することによって、限りあるエネルギーを无駄なく使うための改良が行われています。同様の计测をキネシンのような小さい（ナノメートルサイズの）モーターで行おうとすると、「热ゆらぎ」の効果が现れてしまい、これまではうまく定量ができませんでした。今回の研究では、光ピンセット法（2018年度ノーベル物理学赏受赏）の技术をベースに、高速フィードバック制御を导入することで、キネシンのエネルギー入出力を计测する装置を开発し、1分子の歩行型分子モーターであるキネシンの「散逸」を実験的に定量することに初めて成功しました。さらに我々はキネシンの数理モデルを构筑し、今回の実験结果を计算机シミュレーションと理论计算で评価した结果、キネシンは入力となる化学エネルギーの约80％ものエネルギーを、荷物を运ぶ运动ではなく、分子の内部から散逸していることを明らかにしました。
この结果は一见すると効率の悪いモーターのようにもみえます。しかし、実际にキネシンが働く细胞内は、今回测定した顕微镜の上とは异なるため、まだまだ人类の知らないエネルギー変换の仕组みがあるのかもしれません。それを明らかにすることが今后の课题です。そして、生体の分子モーターから学び得るそれらの知识が、人工の分子モーター设计にも役に立つと期待できます。
谢辞
本研究は、JSPS科学研究費補助金JP25870173, JP15K05248, JP18K03564, JP15H01494, JP15H03710, JP25127712, JP25103011 の助成を受けたものです。
论文情报
- タイトル: Nonequilibrium energetics of molecular motor kinesin.
- 著者: 有賀隆行*（山口大学）、富重道雄（青山学院大学）、水野大介（九州大学）（*責任著者）
- 掲載誌: Physical Review Letters (2018/11/21公開)
- DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.218101
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