粗視化タンパク質モデルの数値実験による細胞機能の再現と定量的統計理論の構築

使用粗粒度蛋白质模型通过数值实验再现细胞功能并构建定量统计理论

基本信息

批准号：
07J03179
负责人：
林久美子
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Osaka University (2009)Waseda University (2007-2008)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

蛋白質分子モーターであるF_1-ATPaseやDNAヘアピンの一分子実験で非平衡統計力学の関係式を利用する研究を行った。F_1-ATPaseに対しては揺らぎの定理を用いて回転トルク測定を行った。高速カメラを用い、回転トラジェクトリの揺らぎを正確に測定し、揺らぎの定理を用いて従来の方法よりも制度のよい回転トルクの測定に成功した。F_1の野生型のみならず、変異体や他の回転モーターであるV_1-ATPaseに対しても測定が成功した。DNAヘアピンに対しては光ピンセットを用いて20nm程度の小さいヘアピンに周期外力を与えることに成功し、DNAヘアピンの開閉に関して確率共鳴の現象を観察した。確率共鳴は様々な物理系で観測されるが、一分子計測では我々の研究が初めての測定となる。SN比、周期外力のする仕事、滞在時間分布などの確率共鳴の研究で良く知られる量を測定し、DNAヘアピンの運動の特徴付けを行った。塩基対のペアの結合自由エネルギーからヘアピンの開閉に関する自由エネルギーの理論計算と確率共鳴の実験は一致する結果を得た。F_1-ATPaseとDNAヘアピンの実験に関し、データをより深く理解するためにシミュレーションを用いて実験結果を再現することができ、これらの結果は現在、論文にまとめている。一分子実験で非平衡統計力学の関係式を適用する研究によって、生体高分子の統計性質を定量的に理解することが可能になった。

我们在 F_1-ATPase、蛋白质分子马达和 DNA 发夹的单分子实验中利用非平衡统计力学的关系表达式进行了研究。使用波动定理测量 F_1-ATPase 的旋转扭矩。我们使用高速相机精确测量了旋转轨迹的波动，并利用波动定理成功地测量了比传统方法更精确的旋转扭矩。不仅对野生型 F_1 进行了成功的测量，而且对突变体和其他旋转马达 V_1-ATPase 也进行了成功的测量。我们成功地使用光镊对约20 nm的小发夹施加周期性外力，并观察到DNA发夹打开和关闭的随机共振现象。尽管在各种物理系统中都观察到随机共振，但我们的研究是第一个在单分子测量中对其进行测量的研究。我们通过测量随机共振研究中众所周知的量来表征 DNA 发夹的运动，例如信噪比、周期性外力所做的功以及停留时间分布。从一对碱基对的结合自由能理论计算发夹打开和关闭的自由能与随机共振实验得到了一致的结果。关于F_1-ATPase和DNA发夹实验，我们能够通过模拟重现实验结果，以更好地理解数据，这些结果目前正在一篇论文中进行总结。将非平衡统计力学关系应用于单分子实验的研究使得定量理解生物聚合物的统计特性成为可能。