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.

该研究项目的目的是在真实的实验系统中创建分子机器的工作模型，并构建一种理论来展示分子机器作为一个使用热作为系统的系统，即使用红外的光学引脚。射线我们构建了一个实验系统，提供热力学非平衡开放条件，其中一组在焦点处捕获的微米级物体通过溶剂的光吸收进行局部加热，并暴露在与在该系统中，折叠发生在单分子链水平上。利用DNA单分子和脂膜管结构进行折叠和解开等高阶结构转变，我们发现了各自的温度响应性引起的节律现象。我们还发现能量耗散场中的亚微米能量耗散在这个焦点附近有间歇性的鳞片。为了开发这些系统并在等温溶液环境中构建由活生物体实际执行的分子​​机械驱动模型，我们开发了一种封装带电聚合物的细胞大小的系统来控制巨型内部和外部的化学势差。脂质体我们进行了实验来研究带电聚合物的行为。我们建立了一种由于渗透压的作用自发形成细胞大小的脂质体的方法，在此过程中，我们进行了实验来研究带电聚合物的行为。大分子进入单个DNA分子的内部此外，我们在脂质体内实现了细胞使用的生化反应的典型例子——转录/表达系统，并在单分子水平上观察了破坏该反应系统的RNA转录反应。此外，作为自发控制反应场的尝试，在其亲水性头部中添加带有带电糖链的脂质分子（神经节苷脂）会自发且快速地形成脂质体的多连接系统（网络结构）。通过这项研究，我们证明，我们可以使用细胞大小的脂质体封装使用带电聚合物的生化反应系统，构建一个模型，随着反应的进行，该模型会引起场本身的自发和质的变化。

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