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驱动蛋白（一种生物纳米马达）产生运动的动力学途径，并模拟基于驱动蛋白的生物能量转换系统中的能量转换流程。目前，关于驱动蛋白的能量转换机制，提出了两种相互矛盾的模型。第一个是紧耦合模型，它使用 Kinesin 的机械化学耦合来模拟齿轮的啮合。众所周知，驱动蛋白通过ATP水解反应产生来回的单位步进运动来实现运动功能，但在该模型的情况下，驱动蛋白的向前步进（向前步进）是由ATP水解引起的，相反，向后步进。该步骤的发生独立于 ATP 水解反应。另一方面，第二种模型称为松散耦合模型，它假设驱动蛋白的机械化学耦合通过使用热波动的机制（例如热棘轮模型）发生。在这种情况下，ATP水解反应不仅与前向步骤耦合，而且与后向步骤耦合。目前，尚不清楚这两个模型中哪一个是正确的，但据认为可以通过分别检查前向步骤和后向步骤中的 ATP 耦合来验证它们。因此，我们试图通过使用单分子纳米力学测量技术测量不同 ATP 浓度下驱动蛋白前后的步骤来澄清这个问题。结果表明，随着 ATP 浓度的增加，驱动蛋白前进和后退的频率以相似的速率增加。这直接表明前后步进运动是由 ATP 结合反应触发的，并表明驱动蛋白的机械耦合是松散的而不是紧密的。这项研究的结果预计将为未来生物纳米电机工作原理的研究提供重要意义。