生体分子モーターの内部で起きる非平衡散逸の定量と数理モデル解析

生物分子马达内部发生的非平衡耗散的量化和数学模型分析

基本信息

批准号：
18K03564
负责人：
有賀隆行
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生体内で荷物を運ぶキネシンは、化学エネルギーを力学的な仕事へと変換する分子モーターである。その運動機構の理解の進展とは裏腹に、エネルギー変換の理解は進んでいなかった。私は、これまでの研究で1分子キネシンの力学操作と応答計測を行い、キネシンの運動に伴う非平衡散逸を定量した。その結果、入力された化学エネルギーの大部分が、計測プローブからは見えない形で、キネシン分子の内部から散逸されていることを新たに見いだした。本研究では、その未知の内部散逸がどう生み出されるのか、キネシンの分子内部でのエネルギーの流れの定量的な理解を目的として研究を行ってきた。令和2年度までに、実験結果からの要請を満たしつつ局所詳細釣り合いの条件を組み込んだ、キネシンの新しい理論モデルを構築し、さらに本課題と並行して得られていた外力ゆらぎによるキネシンの運動の応答の実験結果についても本課題で得られた数理モデルを適用して検証を行ってきた。令和3年度は、そのモデルを野生型キネシンだけでなく、キネシンの変異体、特に片方の頭部のみに変異を加えたヘテロ変異体で得られた実験結果にも適用すべく、理論の拡張を行った。その結果、これまでは一つのジャンプする質点として捉えていたキネシンの運動を、両足が交互に踏み出すモデルへと拡張できた。令和4年度はこの新しい数理モデルの確からしさを検証するため、新しい1分子計測系を構築しつつ、ヘテロ変異体キネシンの1分子計測を試みた。しかしながら、ひきつづくコロナ禍の影響もあり、実験結果とモデルのすり合わせには遅れがでている。

驱动蛋白在生物体中运输货物，是将化学能转化为机械能的分子发动机。与理解运动机制方面的进展相反，在理解能量转换方面进展甚微。在我之前的研究中，我对单个驱动蛋白分子进行了机械操作和响应测量，并量化了与驱动蛋白运动相关的非平衡耗散。结果，他们新发现，大部分输入的化学能以测量探针不可见的方式从驱动蛋白分子内部消散。在这项研究中，我们的目的是定量了解驱动蛋白分子内部的能量流动以及这种未知的内部耗散是如何产生的。到2020年，我们将建立一个满足实验结果要求并结合局部细节平衡条件的新的驱动蛋白理论模型，并且建立一个新的结合局部细节平衡条件的驱动蛋白理论模型。从实验结果来看，我们还应用了本项目中获得的数学模型来验证响应的实验结果。在 2021 财年，我们将扩展该理论，不仅将模型应用于野生型驱动蛋白，还将应用于驱动蛋白突变体（尤其是仅在一个头部发生突变的杂合突变体）获得的实验结果。结果，我们能够将驱动蛋白的运动（以前被视为单个跳跃质点）扩展到双脚交替迈步的模型。 2020财年，为了验证这一新数学模型的可靠性，我们构建了新的单分子测量系统，并尝试了杂合突变驱动蛋白的单分子测量。然而，由于冠状病毒大流行的持续影响，实验结果和模型的协调出现了延误。