高分子鎖の相転移由来の非線形特性に基づき動作する分子機械モデルの研究

基于聚合物链相变非线性特性的分子力学模型研究

• 批准号: 01J03257
• 负责人: 野村 慎一郎
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Tokyo Medical and Dental University (2002)Kyoto University (2001)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-01J03257/
• 关键词: 分子機械の実動モデル; 光ピンセット; 非平衡開放系; 細胞サイズリポソーム; 単一分子観察; DNA転写反応; ガングリオシド; ネットワーク構造

本研究課題が目的に掲げたのは,分子機械の実動モデルを現実の実験系で作り出し,分子機械の一般動作原理を示す理論を構築することである.これまでに,分子機械の駆動エネルギーとして熱を用いる系として,赤外線を用いた光ピンセットによって焦点に捕捉されたμmスケールの物体が,溶媒の光吸収により局所加熱され物体のスケールと同程度の領域で温度勾配に晒されるという熱力学的非平衡開放条件を与える実験系を構築した.この系では単一分子鎖レベルで折りたたみ・解きほぐしの高次構造転移を起こすDNA単一分子および脂質膜チューブ構造を用いて,各々の温度応答性に起因したリズム現象を見出した.また,この焦点近傍のエネルギー散逸場においてサブμmスケールのビーズの間欠的な集合離散現象を確認し報告した.これらの系を発展させ,実際に生物が行っている等温系の溶液環境での分子機械駆動モデル構築のために,荷電高分子を封入した細胞サイズの巨大リポソーム内外の化学ポテンシャル差をコントロールして,荷電高分子の振る舞いを調べるための実験を行ってきた.細胞サイズのリポソームが浸透圧の効果によって自発的に形成される方法を確立し,その際に,溶液中のDNA等の荷電高分子を内部に取り込むことをDNA単一分子の実時間観察の結果から明らかにした.さらにリポソーム内部において細胞が用いる生化学反応の代表例である転写・発現系を実現し,そのRNAへの転写反応の単一分子レベルでの観察から,膜が反応系を破壊的な高分子環境(RNase)から保護しうることを示した.また,反応場の自発的な制御への試みとして,荷電糖鎖を親水性頭部に持つ脂質分子(ガングリオシド)の添加により,リポソームの多重連結系(ネットワーク構造)が自発的かつ速やかに形成されることを明らかにした.以上本研究を通じて,荷電高分子による生化学反応系を封入した細胞サイズリポソームを用いて反応の進行により場そのものに自発的かつ質的な変化を生じさせるモデルを構築する上での基礎的かつ重要な知見が得られた.

该研究主题的目的是使用真实的实验系统创建一个分子机械的真实模型，并构建一种证明分子机械操作的一般原理的理论。迄今为止，我们已经构建了一个实验系统，该系统提供了热力学的非平衡开放条件，在该条件下，使用红外射线通过光学镊子捕获焦点的µM标度对象是通过溶剂吸收并暴露于类似于物体尺度的区域中的温度梯度的。在该系统中，系统在单个分子链的水平上折叠。使用DNA单分子和脂质膜管结构，在折叠和解开时会引起高阶构象转变，我们由于其温度响应性而发现了节奏现象。我们还确认并报道了焦点附近能量耗散场中亚尺度珠的间间组件离散现象。通过开发这些系统，我们控制了用带电聚合物封装的细胞大小的大脂质体之间的化学势差，以便在实际上由生物体进行的等温系统的溶液环境中构建分子机械驱动的模型。我们进行了实验以研究带电聚合物的行为。我们已经建立了一种方法，即通过渗透压的影响自发地形成细胞大小的脂质体，并揭示在这种情况下，将带电的聚合物（例如DNA）（例如溶液中的DNA）掺入内部环境中。 Furthermore, we have realized a transcription and expression system, which is a representative example of biochemical reactions used by cells within liposomes, and from observation of transcription reactions to RNA, we have found that membranes destroy the reaction system (RNase) In addition, as an attempt to spontaneously control the reaction field, it was revealed that multiple-linked systems (network structures) of liposomes are formed spontaneously and quickly by the在亲水头上添加脂质分子（神经苷酸）和带电的糖链。因此，这项研究获得了构建模型的基本和重要发现，这些模型随着反应使用带电聚合物封装的生化反应系统的反应进行自发和定性变化。

项目成果

野村 M.慎一郎: "勝手に動く超分子システムを作る -より生物らしさを目指して-"生物物理. 247(未定). (2003)

M. Shinichiro Nomura：“创造一个能够自行移动的超分子系统 - 目标是更像一个生物 -” 生物物理学 247 (TBD)。

K.Akiyoshi, A.Itaya, S.-i.M.Nomura, N.Ono, K.Yoshikawa: "Induction of neuron-like tubes and liposome networks by cooperative effect of gangliosides and phospholipids"FEBS Letters. Volume 534 Issues 1-3. 33-38 (2003)

K.Akiyoshi、A.Itaya、S.-i.M.Nomura、N.Ono、K.Yoshikawa：“通过神经节苷脂和磷脂的协同作用诱导神经元样管和脂质体网络”FEBS Letters。

N.Magome, H.Kitahata, M.Ichikawa, S.-i.M.Nomura, K.Yoshikawa: "Rhythmic bursting in a cluster of microbeads driven by a continuous-wave laser beam"RHYSICAL REVIEW E. Volume 65. 045202 1-045202 4 (2002)

N.Magome、H.Kitahata、M.Ichikawa、S.-i.M.Nomura、K.Yoshikawa：“连续波激光束驱动的微珠簇中的节奏爆发” RHYSICAL REVIEW E. 第 65 卷。 045202 1-045202

S.-i.M.Nomura, H.Mayama, K.Yoshikawa: "Nonlinear dynamics in a laser field : Spontaneous oscillation of mesoscopic soft-matter"Chaos, Solitons & Fractals. Volume 17 Issues 2-3. 419-423 (2003)

S.-i.M.Nomura、H.Mayama、K.Yoshikawa：“激光场中的非线性动力学：介观软物质的自发振荡”混沌、孤子