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    ホーム > 新着ニュース > 2021年 > 生体分子モーターがゆらぎを利用して速く動く現象を発見

    生体分子モーターがゆらぎを利用して速く動く現象を発見

     山口大学大学院医学系研究科の有賀隆行准教授(特命)は、同医学部生の立石圭人氏、青山学院大学理工学部の富重道雄教授、九州大学大学院理学研究院の水野大介教授と共同で、歩行型生体分子モーターであるキネシンを人工的にゆさぶることによって、速く運動する現象を発見しました。

     キネシンは、細胞内で微小管というレールの上を歩きながら荷物を輸送する生体分子モーターです(図1)。近年、それらが働く環境である生きた細胞内では、熱ゆらぎ(ブラウン運動)だけでなく非熱的なゆらぎがアクティブに生み出されていることが明らかになりました。しかし、これまで顕微鏡下で行われてきたキネシンの研究では、その影響は考慮されていませんでした。 

     そこで研究グループは、細胞内でみられる非熱的なゆらぎを乱雑な外力として運動中のキネシンに与えてみたところ、特に負荷が高い領域で加速する現象を発見しました。この加速現象はキネシンの数理モデルを用いたシミュレーションで再現でき、普遍的な理論を用いて解析することで定量的に説明できました。モデルの背景にある理論の普遍性は、この加速現象がキネシン以外の分子機械にも適用しうることを示唆しています。細胞内で生み出される非熱的なゆらぎは、生体分子モーターだけでなく様々な生体分子にも利用される、生命の活力として利用されているのかもしれません。

     本研究成果は米国時間の2021年10月22日に、米国科学誌「PhysicalReviewLetters」に掲載されました。また、特に注目すべき論文としてEditors’suggestionに選ばれ、さらに一部が選ばれるFeaturedinPhysicsとして、米物理学会の発行するPhysics誌上でニュース記事も書かれました。

     

     詳細はこちら

     

     

    発表のポイント

    生体分子モーターのキネシン(kinesin-1)を人工的にゆさぶることによって速く運動する(加速する)現象を発見しました。
    特に負荷が高いときに速くなる傾向から、キネシンは細胞内の非熱的なゆらぎを利用することで、細胞内のような混雑して粘性の高い環境に適応している可能性があります。

    この現象は数理モデルを用いたシミュレーションでも再現でき、その背景にある理論の普遍性は、キネシンで見られた加速現象が細胞内の一般の分子機械に適用できる可能性を示唆しています。

    細胞内でみられる非熱的なゆらぎは単なるノイズではなく、さまざまな生理的機能を促進するために積極的に利用されているのかもしれません。

     

    謝辞

     本研究は、科学研究費補助金新学術領域(研究領域提案型)「発動分子科学エネルギー変換が拓く自律的機能の設計」の公簿研究「人工的な疑似細胞内非平衡環境における並進型発動分子のエネルギー論」(19H05398)、同「疑似細胞環境下における発動分子のゆらぎに誘導される運動特性の解析」21H00405、および科学研究費補助金新学術領域(研究領域提案型)「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」の公簿研究「歩行型分子モーターの変異体散逸計測と情報の視点を導入した数理モデル構築情報熱力学による生体情報処理の理論研究」(20H05535他の支援を受けて行われました。

     

    論文情報

    論文名

    Noise-induced acceleration of single molecule kinesin-1.

    著者

    有賀隆行*(山口大学), 立石圭人(山口大学), 富重 道雄(青山学院大学), 水野大介(九州大学)(*責任著者)

    掲載誌

    Physical Review Letters

    D O I

    10.1103/PhysRevLett.127.178101

    U R L https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.178101
     
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