生体分子モーターの動作原理を応用した人工ナノ機械の構築

应用生物分子马达的工作原理构建人造纳米机器

基本信息

批准号：
02J04886
负责人：
渡邉朋信
金额：
$ 1.6万
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：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

生体分子モーターの1つにミオシンと呼ばれる蛋白質がある。ミオシンは、ATP加水分解で生じる化学エネルギーを利用してアクチンフィラメント(以下Fアクチン)上を36nmのステップを伴いながら滑り運動する。昨年度、私は、ミオシンの運動の駆動力がブラウン運動であることを証明した。今年度、我々は、光ピンセット法による1分子ナノ計測技術を用いてミオシン1分子がFアクチン上を運動する過程と、エバネッセント照明法による1分子可視化技術を用いてミオシン1分子の蛍光性ヌクレオチドCy3-ATP 1分子の結合・解離を、同時に計測することに成功した。ミオシンは、ATPを加水分解して得たエネルギーを利用して変位を発生し、その後ADPを放出すると考えられていたが、ATP結合、ADP解離と変位発生を同時に観測してみると、ADPが解離した後(〜1秒)にミオシンが変位発生するという結果が得られた。この結果は、ミオシンはATP加水分解で生じたエネルギーをミオシン内部に一度閉じ込めるという、ミオシンの履歴効果を示唆している。また、ポリスチレンビーズを用いて、人工モーター蛋白質の構築の試作を行った。直径1μmのビーズに強力な電荷を持たせた荷電ビーズを作成した。荷電ビーズは、Fアクチンと結合した。この荷電ビーズがFアクチン上を運動する様子を、1分子ナノ計測法により観察した。荷電ビーズは、Fアクチン上を前後に35nmのステップを繰り返していた。この35nmという値は、Fアクチンの螺旋構造周期(36nm)とほぼ一致する。荷電ビーズには外部からエネルギーを与えていないので、荷電ビーズのステップの駆動力は、ブラウン運動であると考えられる。本研究は、モーター蛋白質のFアクチン上の1次元拡散運動を再現できたと共に、ミオシンの運動には、Fアクチンが深く関与していることを示している。この荷電ビーズを一方向に運動させるためには、ミオシンのブラウン運動から一方向性を生み出すエネルギー変換機構の解明が必須である。

其中一种生物分子马达是一种称为肌球蛋白的蛋白质。肌球蛋白利用ATP水解产生的化学能在肌动蛋白丝（以下简称F-肌动蛋白）上滑动，步长为36 nm。去年我证明了肌球蛋白运动的驱动力是布朗运动。今年，我们利用光镊的单分子纳米技术研究了单分子肌球蛋白在F-肌动蛋白上移动的过程，并利用瞬逝照明的单分子可视化技术研究了肌球蛋白分子的荧光核苷酸Cy3。成功同时测量一个 ATP 分子的结合和解离。肌球蛋白被认为利用水解ATP获得的能量产生位移，然后释放ADP，但是当我们同时观察ATP结合、ADP解离和位移产生时，我们发现ADP解离后发生了肌球蛋白位移（~1第二）。该结果表明肌球蛋白具有滞后效应，即肌球蛋白曾经将ATP水解产生的能量捕获在肌球蛋白内部。我们还使用聚苯乙烯珠构建了人工运动蛋白的原型。我们创建了直径为 1 μm 的带强电荷的珠子。带电珠子结合 F-肌动蛋白。使用单分子纳米测量观察这些带电珠在 F-肌动蛋白上的运动。带电的珠子在 F-肌动蛋白上来回重复 35 nm 的步长。这个 35 nm 的值几乎与 F-肌动蛋白的螺旋结构周期 (36 nm) 一致。由于没有外部能量施加到带电珠子上，因此带电珠子步进的驱动力被认为是布朗运动。这项研究能够重现运动蛋白F-肌动蛋白的一维扩散运动，也表明F-肌动蛋白深入参与了肌球蛋白的运动。为了使这些带电珠子朝一个方向移动，有必要阐明从肌球蛋白的布朗运动产生单向性的能量转换机制。