【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】16H04773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子モーター / 1分子 / 少数分子 / キネシン / ミオシン / ステップ / 理論 / 細胞 / ダイニン / 運動 / 1分子計測 / モータータンパク質 / メカニズム / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内の物質輸送や細胞分裂を担うモータータンパク質であるキネシン、ミオシンV、ダイニンは一定の歩幅で長距離を解離することなく、前進運動や後退運動を行う。これら三種類のモータータンパク質の１分子の運動特性を統一的に記述するために運動を単純化して、2つの状態を遷移する数理モデルを提案し、このモデルによって本研究や過去の実験結果をうまく説明することができた。
また、筋肉由来のミオシン多分子による力発生を測定した結果、協同的に力発生を行うことが、実験的にもシミュレーションによっても明らかとなった。このような協同的な運動が単離幼若心筋の周期的収縮と関連していることが示唆された。

【研究の社会的意義】

これまでの生命科学は、多様性や複雑性に関する研究が多い一方で、物理学が得意とするような統一性や普遍性の研究が少なく、これらの分野の今後の発展が望まれている。その意味で、今回の運動を簡単な数式で統一的に説明した研究は、輸送タンパク質にとどまらず、ATPを利用する多くのタンパク質の運動を説明できる可能性を秘めており、学術的意義が大きい。また、心筋細胞の振動現象のメカニズム解明は、心臓の運動を記述する際重要である。従って、今後心臓や心臓疾患を理解するための基礎となり、学術的にも社会的にも意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】連携探索型数理科学

【研究領域課題番号】26310204 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非平衡統計力学 / 分子モーター / 医療 / 生物物理 / １分子計測 / 揺らぎの定理

【研究成果の概要】

分子モーターキネシンやダイニンによるオルガネラ輸送は医療や美容と関連が深い。例えばアルツハイマー病などの神経疾患では軸索輸送障害が問題となるし日焼けの原因となるメラニン色素の顆粒輸送もキネシンやダイニンが担う。非平衡統計力学は輸送を扱う学問であるが、非平衡統計力学の恒等式をこのような輸送に応用した。これらの輸送は非平衡確率過程とみなせるからである。具体的にはシナプス小胞前駆体輸送とメラニン色素顆粒輸送を調べた。前者では恒等式の利用でシナプス形成位置に異常がでる変異体において物理的要因を突き止めた。後者ではダイニン阻害剤シリオブレビンの効果を輸送に関連する力や分子モーターの数から評価した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-07-18 - 2018-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】26800207 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多体問題 / 集団運動 / 分子モーター / DNA / クラスター / 共鳴 / 三体問題 / 重力アシスト / 非線形力学 / 統計力学 / 天体力学 / 生物物理 / 協同現象 / 国際情報交換（米国） / 幾何学 / 化学物理 / 国際情報交換（米国、伊国） / 非平衡統計力学 / 国際情報交換（米国、ドイツ）

【研究成果の概要】

ミクロな分子運動からマクロな天体運動まで、自然の各階層における多体系の集団運動を統一的に理解することは、現代科学の重要な課題である。本研究では、非線形力学、統計力学、微分幾何学の手法を駆使してこの課題に取り組んだ。その結果、ミクロな分子運動の階層においては、回転型分子モーターの運動機構やDNAの高次らせん形成に関する新たな幾何学的モデルを提案することができた。また、原子集合体の解離運動を駆動する集団的内力の競合過程を特徴付けることができた。マクロな天体運動の階層においては、共鳴重力アシストと周期軌道の不変多様体を併用することにより、燃料消費を抑えた宇宙機の天体間遷移軌道の設計を実現した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】生物分子科学

【研究領域課題番号】20710170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオナノマシーン / 生物物理 / 分子モーター / バイオマシーン

【研究成果の概要】

細胞分裂装置である紡錘体の形成には、キネシン様モータータンパク質Eg5が必須で、Eg5の機能阻害により細胞分裂が中断してしまう重要な分子モータータンパク質である。紡錘体形成の仕組みの理解には、Eg5が引き起こす微小管のふるまいを3次元空間で詳細に調べる必要があるが、通常の顕微鏡では2次元平面での振る舞いしか観察することができない。そこで微小管に結合した微小な量子ドットを3次元で観察できる顕微鏡を開発し、今回3次元空間でEg5によって駆動される微小管の運動を動画として捉えることに成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】18370067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アクチン / ミオシン / 協同的構造変化 / 優性変異 / 優性阻害 / 組換えタンパク質 / 細胞性粘菌 / 酵母 / 一分子力学測定 / カルシウム制御 / グリシンスキャニング / 発現系 / 構造変化 / グリシン / ショウジョウバエ / 生物物理 / 分子モーター / 蛋白質

【研究成果の概要】

アクチンミオシン系の力発生において、アクチンフィラメントは線路として機能する一方、その協同的構造変化も何らかの重要な機能を果たすと考えられている。一般に協同的構造変化の機能の解明には、優性変異の解析が有力な研究手段となる。そこでAn and Mogami (1996) が同定した10 個の優性変異アクチンについて、われわれ独自のアクチン発現系を用いて6変異の精製に成功し機能解析を行った。その結果、4変異は重合に、2変異はCa2+依存的な協同的スイッチ機構に異常があることを発見した。さらにグリシンスキャニング法(後述)により、新たに5個の優性変異アクチンを同定した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】14,180千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 2,880千円)

【研究分野】耳鼻咽喉科学

【研究領域課題番号】18390455 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

耳科学 / 蛋白質 / 分子モータ / Prestin / 原子間力顕微鏡 / 精製 / 等温滴定カロリメトリー / 生物物理 / 走査プローブ顕微鏡 / パッチクランプ法 / 等温滴定型カロリメトリー / 国際研究者交流 / アメリカ / 膜タンパク質

【研究成果の概要】

Prestinは哺乳類内耳外有毛細胞の細胞膜に高密度に発現している膜タンパク質である.細胞膜電位が変化すると,prestinは細胞内の陰イオンを輸送し,それに伴い構造変化すると考えられている.そして,その構造変化は外有毛細胞の伸縮運動を引き起こすと推察されている.Prestinについてその同定以来様々な研究が行われてきたが,prestinの形状や構造変化メカニズムは解明されていない.そこで本研究では,まず,prestin遺伝子を導入したChinese hamster ovary(CHO)細胞と遺伝子を導入していないCHO細胞の細胞膜を,それぞれ原子間力顕微鏡により観察し,prestinの直径が8-12nmであることを明らかにした.次に,prestin遺伝子を導入したCHO細胞膜のprestinを,量子ドット(Qdot)で標識し,原子間力顕微鏡で観察した.その結果,Qdot周辺に4つのピークを持ち中心部が窪んだ形状の構造物が観察され,prestinは4量体であることが推察された.最後にprestinの遺伝子を導入した細胞からprestin分子を精製した.そして,精製したprestinの活性を,等温滴定型カロリメータを用いて評価した.その結果,精製prestinは細胞中のprestinと同様に,塩化物イオンと相互作用すること,すなわち活性を有していることが示された.さらに,prestinの拮抗剤であると考えられているサリチル酸ナトリウムの存在下で同様の計測を行い,サリチル酸ナトリウムが濃度依存的にprestinと塩化物イオンとの相互作用を抑制することを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】16,380千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 2,280千円)