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。

在体内带有行李的驱动蛋白是将化学能转化为机械工作的分子电机。尽管了解运动机制方面取得了进展，但对能量转化的理解尚未进展。在先前的研究中，我进行了单分子驱动蛋白的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，新发现的是，大多数输入化学能是从驱动蛋白分子内部耗散的，以测量探针看不见。进行了这项研究，目的是定量理解驱动蛋白分子内部的能量，如何产生这种未知的内部耗散。到2020财政年度，构建了一个新的驱动蛋白理论模型，该模型满足了实验结果的要求，并结合了局部详细平衡的条件，并验证了由于外部力量波动引起的驱动蛋白运动的响应的实验结果，这些响应是在此任务中使用的数学模型并获得的。在2021年，该理论不仅将模型应用于野生型驱动蛋白，还将模型应用于使用驱动蛋白突变体（尤其是仅在一个头上突变的异源物）获得的实验结果。结果，以前被视为跳跃质量点的动力蛋白的运动被扩展为两脚交替踩踏的模型。在2022年，为了验证这种新数学模型的准确性，我们试图通过构建新的单分子测量系统来测量异源驱动蛋白。然而，由于共同-19大流行的持续影响，与实验结果和模型相匹配存在延迟。