分子モーターの1分子トラジェクトリからポテンシャルを描く

从分子马达的单分子轨迹中得出势能

基本信息

批准号：
23654137
负责人：
鳥谷部祥一
金额：
$ 1.66万
依托单位：
Chuo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-23654137/
关键词：
分子モーター統計力学 F1-ATPase エネルギー変換

项目摘要

分子モーターは,化学エネルギーを力学運動に変換するナノサイズの化学エンジンである.したがって,そのエネルギー論を議論することは,分子モーターの動作原理を理解するうえで本質的である.特に,回転分子モーターF1-ATPaseは生体内で自由エネルギー変換の中心的な役割を担い,そのエネルギー論は生物学的にも重要である.F1-ATPaseはほぼ100%の自由エネルギー変換効率を持つことが知られており,なぜこのような高効率を実現できるのか,非平衡熱力学の観点からも興味深い.我々は,1分子トラジェクトリのみから,分子モーターの力学ポテンシャルを見積もる方法をすでに開発している.本研究課題では,この方法をF1-ATPaseに応用し,F1-ATPaseの高効率な自由エネルギー変換機構の仕組みを解明しようと試みた.我々は,光学系の調整と高度な画像処理により,露光時間40usで1秒間に9000枚の画像をリアルタイムでPCに記録できるシステムを構築した.このシステムを用いてF1-ATPaseの極めて時間分解能の高い1分子トラジェクトリを測定し,上記の方法を用いて解析した.その結果,F1-ATPaseの化学状態ごとの力学ポテンシャル,力学ポテンシャルが切り替わる瞬間の回転軸の角度,回転によって生じる熱散逸量などを,1分子トラジェクトリのみから推定することに成功した.そして,化学状態がランダムに切り替わるのではなく,中心の回転軸が少し進んだところでのみ状態が切り替わることを発見した.これは,F1-ATPaseが,"Diffusion-and-catch"と"Power stroke"の2つの機構を巧みに利用してトルクを発生していることを示唆している.これが,F1-ATPaseが高効率性を実現している理由の1つだと推測される.このような知見はある程度予想されてはいたものの,実験データから導き出したのは初めてであり画期的な成果と言える.

分子电动机是纳米大小的化学发动机，将化学能转化为动态运动。因此，讨论能量理论对于理解分子电机的原理至关重要。特别是，旋转的分子运动F1-ATPase在体内的自由能转化中起着核心作用，其能量理论在生物学方面也很重要。已知F1-ATPase的自由能转化效率几乎为100％，从非平衡热力学的角度来看，这很有趣。我们已经开发了一种单独从单个分子轨迹的分子电动机的动态电位的方法。在本研究主题中，我们将此方法应用于F1-ATPase的高效自由能转化机制的F1-ATPase和结构。我们试图理解上述内容。我们已经建立了一个可以实时记录9,000张图像的系统，而PC的曝光时间为40US。使用此系统，我们测量了F1-ATPase的极端分辨率单分子轨迹，并使用上述方法对其进行了分析。结果，我们成功地估算了每种化学状态的F1-ATPase的机械潜力，机械电势变化时旋转轴的角度以及由旋转引起的热耗散量等单独从单单分子轨迹引起的热量耗散量。我们已经发现，化学状态并没有随机变化，但仅在旋转时变化。 F1-ATPase为“扩散和捕获”和“功率”的“扩散和捕捉”和“功率”。这表明“中风”的两种机制巧妙地用于产生扭矩。这是F1-ATPase提高效率高的原因之一。尽管这一发现是在某种程度上预测的，但这是它首次从实验数据中得出，可以说这是一项开创性的成就。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Single-molecule nonequilibrium thermodynamics of molecular motor

分子马达的单分子非平衡热力学

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
影响因子：
0
作者：
S.Toyabe;H.Ueno;E.Muneyuki
通讯作者：
E.Muneyuki

情報と熱と悪魔-熱運動を利用する

信息、热量和魔鬼——利用热运动

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
科学(岩波書店)
影响因子：
0
作者：
Ishihara;Shozo;本田貴大，初貝安弘，青木秀夫，河原林透;桂木洋光;S. Sasa;Shozo Ishihara;M. Ogura and H. Akai;鳥谷部祥一
通讯作者：
鳥谷部祥一

情報-自由エネルギー変換と分子モーター

信息-自由能量转换和分子马达

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
影响因子：
0
作者：
M. Ogura;N.H. Long;and H. Akai;山田智哉，桂木洋光;Y. Hatsugai;鳥谷部祥一
通讯作者：
鳥谷部祥一

Thermodynamic efficiency and mechanochemical coupling of F1-ATPase

DOI：
10.1073/pnas.1106787108
发表时间：
2011-11-01
期刊：
PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA
影响因子：
11.1
作者：
Toyabe, Shoichi;Watanabe-Nakayama, Takahiro;Muneyuki, Eiro
通讯作者：
Muneyuki, Eiro

1分子トラジェクトリから情報を絞り出す-F1モーターを例にとって-

从单分子轨迹中提取信息——以F1电机为例——

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hironori Hoshino;Shin Nakamura;Y. Hatsugai;M. Ogura and H. Akai;Shynsuke Yabunaka;T. Yamada and H. Katsuragi;鳥谷部祥一
通讯作者：
鳥谷部祥一