生体エネルギー変換システムの入出力のダイナミックな相関の1分子計測とモデル化

生物能量转换系统输入和输出之间动态相关性的单分子测量和建模

基本信息

批准号：
05J09577
负责人：
谷口雄一
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目標は、生体ナノモーターであるキネシンが、どのようなキネティクス経路を介して運動を発生するのかを記述し、キネシンによる生体エネルギー変換システムにおけるエネルギー変換の流れをモデル化することにある。現在キネシンのエネルギー変換のメカニズムに関しては、2つの相反するモデルが提唱されている。一つ目はタイトカップリングモデルであり、キネシンのメカノケミカルカップリングをギアとギアの噛み合わせに見立てたモデルである。キネシンは、ATP加水分解反応を通じて前後に単位ステップ運動を発生しながら運動機能を実現することが知られているが、このモデルの場合、キネシンの前方向へのステッチ(フォワードステップ)はATP加水分解反応とカップルしているのに対し、後ろ方向へのステップ(バックワードステップ)はATP加水分解反応とは関係なく起こる。一方、二つ目のモデルはルースカップリングモデルと呼ばれるモデルであり、キネシンのメカノケミカルカップリングがサーマルラチェットモデルなどの熱揺らぎを利用したメカニズムによって生じることを想定したモデルである。この場合、ATP加水分解反応はフォワードステップだけでなくバックワードステップにもカップルする。現在、両者のモデルのいずれが正しいかは未だ明らかとなっていないが、フォワードステップとバックワードステップのATPのカップリングを個別に調べることにより、これらの検証が可能となると考えられる。そこで我々は、1分子ナノ力学計測の技術を用いて、キネシンの前後のステップを様々なATP濃度で計測することにより、この問いを明らかとすることを試みた。その結果、キネシンの前後へのステップ頻度はATP濃度を上げることによって同様の割合で上昇することがわかった。このことは、前後のステップ運動がATPの結合反応によりトリガーされていることを直接示しており、キネシンのメカノカップリングがタイトではなくルースであることを示唆している。本研究の結果は、今後の生体ナノモーターの動作原理に関する研究に対して非常に大きな示唆を与えることが期待できる。

这项研究的目的是描述动力学纳米运动的动力学途径运动蛋白会产生运动，并模拟驱动蛋白中生物能转化系统中能量转化的流动。目前，已经提出了有关驱动蛋白能量转化机理的两个相反模型。第一个是一个紧密的耦合模型，该模型使用动力蛋白的机械化学耦合来匹配齿轮和齿轮网格。众所周知，动力素通过通过ATP水解反应产生向前和向后单位的步骤运动来实现运动功能，但是在该模型中，动机蛋白（前进步骤）的正向缝合具有ATP水解反应，而向后步骤（向后步骤）发生在ATP水解反应中。另一方面，第二个模型称为松散的耦合模型，它是一个模型，假定驱动蛋白的机械化学耦合是由于利用热波动的机制而发生的，例如热棘轮模型。在这种情况下，ATP水解反应不仅伴随着远期步骤，而且伴随着向后步骤。目前，目前尚不清楚这两个模型中的哪一个是正确的，但是可以通过分别检查前向和向后步骤的ATP耦合来验证这些模型。因此，我们试图通过使用单分子纳米力学测量技术在各种ATP浓度下测量动力蛋白之前和之后的步骤来阐明这个问题。结果，发现通过增加ATP浓度以相似的速率增加之前和之后的步骤频率。这直接表明向前和向后的步骤运动是由ATP的结合反应触发的，这表明驱动蛋白的机械耦合是松散而不是紧密的。预计这项研究的结果将为未来对生物纳米运动的工作原理的研究提供非常重要的建议。