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2024.1

産学官との連携

科学の
峰々

121

産学官との連携東京大学大学院工学系研究科 応用化学専攻 教授のじ

ひ ろ ゆ き野地 博行 先生 に聞く

ATP合成酵素の仕組みを世界初実証。
デジタルバイオアッセイによる新計測技術、人工細胞デバイスなど
先進的研究に取り組む 上

ATP合成酵素の仕組みを世界で初めて実証する

取材日：2023年8月23日
東京大学 本郷キャンパス 野地研究室（取材・撮影・編集協力：クリエイティブ・レイ㈱安井久雄）

野地 博行 先生のプロフィール【学 歴】
1993 年 3 月 東京工業大学 理学部 生体機構学科卒業
1995 年 3 月 東京工業大学 生命理工学研究科修士課程バイオサイエンス専攻修了
1997 年 12 月 東京工業大学 総合理工学研究科博士課程電子化学専攻修了
1997 年 12 月 博士（理学）（東京工業大学）取得【職 歴・研究歴等】
1998 年～ 2000 年 科学技術振興事業団 CREST 博士研究員
2000 年～ 2001 年 科学技術振興事業団さきがけ研究 研究員
2001 年～ 2005 年 東京大学 生産技術研究所 助教授
2005 年～ 2010 年 大阪大学 産業科学研究所 教授
2010 年～現在
東京大学 工学系研究科 応用化学専攻 教授
2015 年～ 2019 年 内閣府 革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）、
プログラムマネージャー【受 賞】
2020 年 中谷大賞（公益財団法人 中谷医工計測技術振興財団）
2016 年 文部科学大臣表彰科学技術賞
2015 年 読売テクノフォーラム ゴールドメダル賞
2015 年 中谷奨励賞（公益財団法人 中谷医工計測技術振興財団）
2013 年 井上学術賞（財団法人 井上科学振興財団）
2013 年 山﨑貞一賞（一般財団法人 材料科学技術振興財団）【所属団体】
一般社団法人 日本生物物理学会
公益社団法人 日本生化学会
一般社団法人 日本蛋白質科学会

ATPは、「細胞のエネル

への酸素の供給が止まると最初にギー通 貨 」と言われるものです 。

ダメージを受けるのがエネルギー

人は食べたものをエネルギーにし消費量の激しい脳になります。

て活動をしています。成人男性でいて世界初の実証を成し遂げらは１日に基礎代謝レベルで1500〜

れました。
また、人工細胞リアクタ

2000kcalの食品やエネルギーをの研究開発にも取り組んでおられ摂っていますが、そのほとんどが野地ます。
これまでの研究経歴を教え

ATPになり、
１日のATP合成量は体膜の上下にかかった電圧を意ていただけますか。

30〜40kgになります。
ちなみに運

味します。
コンデンサーにおいて絶動する人は、
さらに多くのATPを縁体薄膜の上下で電荷の量に違合成して分解しています。

いが発生すると電圧が発生するよ野地

生体分子やそれらが作る膜電位とは、何でしょうか。
電気的に絶縁体である生

例えば、
マラソン選手は100kgよ

うに、生体膜でもその上下でイオン

りはるかに多くのATPを合成・分解の濃度に違いが発生すると電圧学部時代は理学部で生命科学しています。でも毎日の体重は今が生じます。
この電圧を用いて、脳を学びました。修士課程では進化言った重さのようには増えませんし、などの中枢神経系は信号のやり取

分子工学の研究を行い、博士課

それだけの重さをATPが占めていりをします。膜電位を発生するため

程から現在ライフワークとなっているわけではありません。
それは体がには生体膜の上下にイオンの濃度

るATP合成酵素の分野の研究を

同じ分量をすぐに分解しているか差を発生する必要があるのですが、スタートしました。そして今は再び、らです。つまり、ある体の一瞬を調

このイオン輸送のプロセスで大量

修士課程で取り組んだ進化分子

べた場合、
ATPは数百gしか存在のATPが消費されているのです。

工学の研究も行っています。進化

せず、その合成と分解を１日に何度そしてこのATPを合成しているの分子工学の研究では小さなリアクも繰り返していることになります。

がATP合成酵素です。

利用して「人工細胞リアクタ」の開エネルギーになる時、必ずATP

発にも取り組んでいます。
この３つになるので「細胞のエネルギー

地球上の生命は全てATPで生きているが大きな研究テーマです。

通貨」というわけですね。

な研究に取り組んでいます。
聞き手 ：梅垣喜通 日本科学機器協会 広報委員長

野地

野地先生はATP合成酵素につ分子システムに関する物理化学的筒井紫乃 日本科学機器協会 広報委員
岡田康弘 日本科学機器協会 事務局長

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タ技術を利用していますが、これをATPは人間だけでなく、他の動「人工細胞リアクタ」は、小さなリ
アクタに生体分子システムを再構

野地成して、細胞の機能の一部を再現

色々な生 理 現 象 、筋 肉の 収 縮 、したものを意味します。
この研究でDNAやタンパク質の合成、また細目指している最終目標は、自律的に胞の膜電位などに使われます。つ野地

自己複製する分子システム、すな

まり、
このATPがエネルギーになる生物がATPを持っています。地球

わち人工細胞の創出です。
その過ので、ATPがないと人を含む生物

上 で 見 つ かる生 物 は 例 外なく程で実用的に優れた技術が生まは何も活動出来ません。

A T P で 生きています 。
どうしてそういうことです。そして物や生物もエネルギーとして使っているものなのでしょうか。
そうです。動物も植物も全れるので、そのような技術を工学技

体内でこのATPを最も大量にATPが細胞のエネルギー通貨と術として確立させることにも取り組

消 費するのは中枢 神 経 系です。

して選ばれたのかは、厳密には不んでいます。

中枢神経系細胞の膜電位を形成

明ですが、少なくとも細胞がやり取するためにATPは大量に消費さりをするエネルギーの単位としてまずはATP合成酵素の研究にれています。
このATPを合成する

ちょうど良いということや、ATP及

ついてお聞かせいただけますか。

ためには酸素が必要なので、体内び類似化合物が生命誕生以前の

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F1モーター回転の直接観察

環境でも比較的合成され易かった

胞が摂取したグルコースは何段階的エネルギーであるATPに変換さ

野地 「ATP合成酵素がどうやっモーターを接続することにということが理由なのだと思います。

もの代 謝 反 応によって酸 化され、れる」という「化学→物理」「物理てこの物理的なポテンシャルを化

よって、水の位 置 エネル

個人的には、地球外生命体が見最終的には二酸化炭素と水となり→化学」という２段階のエネルギー

学的な反応のエネルギーに変換

ギーを電力に変換していつかったらATPが使われているのます。
この酸化反応で得られるエ変換と見なすことができます。

するのか？」という答えを言ってしまます。
このように、ATP合

かはとても興味があります。

ネルギーは、ミ
トコンドリアの膜電位

この概念が確立するまでは大うと、「回転」です。

成酵素と水力発電機におに変換され、約150〜200mV程度

論争があり、正しい概念を唱えた

ATP合成酵素は、２つの回転ける「回転運動を介した」となります。
この電圧を発生するのピーター・デニス・ミッチェル氏は分子モーターが結合した分子機

エネルギー変換の基本概は、呼吸鎖タンパク質と呼ばれるタ

1978年にノーベル化学賞を受賞し械です。膜に埋まって水素イオンの念は、全く同じです。ATP

ンパク質群です。
これらのタンパクています 。ただ、ミッチェル氏 は流れで回転するF 0モーター、そし

合成酵素は、水力発電機

質は、
グルコースの酸化反応から「ATP合成酵素がどうやって膜電て膜から（図では下側に）突き出しと同じように逆 反 応も起こします。

た回転仮説が俄かに現実味を帯得られるエネルギーを利 用して、位からATPへのエネルギー変換

た部分はF 1というモーター、
この2

水力発電機の場合、逆反応というびたのは1994年にATP合成酵素

エネルギーを変換してATPを合成

水素イオンをミ
トコンドリアの内側かを行うのか」という仕組みについて

つのモーターから構成されます。F1のは電力を消費して水をくみ上げのF 1モーターの立体構造が発表しています。動物の場合、炭水化

ら外側に組み上げて膜電位を発は、ノーベル賞受賞の後で、とてもモーターは、それ単体ではATPをることを意味します。
この時、回転されたからです。私が博士に進学

物を酸化してエネルギーを獲得す

生させるのです。ATP合成酵素

間違った仮説を唱えていました。
で「分解」
して回転する分子モーター

シャフトは電力発生時とは逆向きとする少し前です。発表された立体るのですが、
その反応エネルギー

は、その内部に水素イオンの透過すので、私は今でも学生さんに「大です。F0モーターとF1モーターは互なります。ATP合成の場合にも、逆構造は、
ボイヤー氏が唱えた仕組は物理的なポテンシャルに変換し路を持っています。ATP合成酵素

学の先生の言う事だからと、信じていに相手とは逆向きの方向に回転

向きの回転となります。
すなわち、
F1

みに驚くほど合致していました。
まるているのです。
その物理的なポテが膜電位に沿って水素イオンを流はいけないよ」と話しています。

します。つまり、F 0モーターとF 1モーモーターがATPを加水分解してで三極モーターのように、３回対称

ンシャルとは、先ほど説明した膜電す時、エネルギーが放出されるのターは常に相手を押し合っていて、

回転シャフトを逆向きに回転させ、性を持つリング構造の真ん中にロッ位です。動物の場合は、
ミ
トコンドリ

ですが、
それを利用してATPを合生物の仕組みは、物理と化学で発生する力の大きい方が相手をその結果F0モーターが逆向きに水ド状のサブユニット分子が埋まった

アという細胞内部にある細胞小器成するのです。

出来ていることが、興味深いです。

逆回転させるようになっています。

素イオンを輸送して膜電位を発生構造だったのです。
これにより
「本

させます。

当に回転するかもしれない」という物理的なポテンシャルが化学的に変換されてエネルギーは作られている
野地

生物は、外部から摂取した官の膜上下の電位となります。
この

つまり、グルコース酸 化による膜電位に沿った水素イオンの流れ

ATPの合成とは、「化学的反応がを利用してATPが合成されます。

物理ポテンシャルである膜電圧にこの反応を触媒するのがATP合変換され、その電圧がもう１回化学

ATP合成酵素は２つの回転分子モーターが結合した分子機械成酵素となります。ATP合成酵素
が水素イオンの流れで放出される

ATP合成

エネルギーをどのように利用してATPを合成するのか、
そのメカニ

H-1の電気化学
ポテンシャルF0モーター

ズムの解明が研究テーマの一つ回転です。
そのエネルギー変換メカニズ

F1モーター

ATP合成

ムは、水力発電とよく似ています。

ATP合成している様子

体のエネルギー合成に水力発電のような仕組みがあるのですか。
野地

そうなのです。
その仕組みを順を追って説明します。
細胞がATPを合成する場所はミトコンドリアです。酸化的リン酸化という現象を経て合成されます。細

ATP合成酵素はFoモーターとF 1モーターから構成。
（黒い部分は回転子、グレーの部分は固定子）Foモー
ターとF1モーターの回転方向が互いに逆向きで、発生する力の大きい方が相手を逆回転させる。
プロトンの電気化学ポテンシャル（プロトンの濃度勾配）で駆動されるFoのトルクがATP加水分解で駆動されるF 1のトルクより大きい時はFoがF 1を逆回転させてATPを合成し、逆にF1のトルクの方がFoのトルクより大きい場合は、F 1はFoを逆回転させてH +を膜の外側へと輸送してH+の濃度勾配を形成する。

-1

逆反応, H の能動輸送
H の電気化学
ポテンシャル

ミトコンドリアは大きな膜電位を回転
F1モーター

ATP加水分解

ATP分解している様子

れるアクチ

ンフィラメ

ント

F1モーターの回転実証実験
F 1モーターをガラス基板に固定し、蛍光でラベルした
アクチンフィラメント（目印）を回転子に取り付けて、目印の回転を観察。

発生しているので、普通はF 0モー

私が学生の時、異なる２種の回方向に業界が大きく動きだしました。

ターがより大きな力を発生していま

転モーターを連 結させてエネル

しかし、止まった構造だけからはF1

す。
そのため、
F1モーターは強制的

ギーを変換するメカニズムは、数あが回転分子モーターであることはに逆 回 転させられ、その結 果 F 1る仮説の一つでしかありませんでし

確認しようがないため、その検証がモーターはATP分解の逆反応でた。実は、ATP合成酵素の回転強く求められていました。

あるATP合成反応を触媒するの仮説が発表された当初は、懐疑的

そのような状況であったので、私です。
これが、ATP合成酵素のエに思われていました。私が最初には博士進学した際、リスクがありつネルギー変換機構の概要です。
こ取り組んだのは、「 ATP合成酵素

つもその実験検証に取り組みましの仕組みは、
概念的には水力発電のF 1 部分は回転分子モーターなた。当初は、生化学的手法での検とほぼ同じと言えます。

のか？」を検証する実験でした。

証を試みましたが原理的に極めて難しいため、
当時まだ数少ない1分

２つのモーターがあって回転する「細胞の中でモーターが回転す

子計測技術を持っていた慶應大水力発電と似ていると感じます。

る」というのは、例えではなく、本学のグループ（慶應大学・木下一

当に回転しているのですか。

彦研究室）と共同研究を開始しま-1

F0モーター

蛍光標識さ野地

した。様々な技術的課題はありまし

水力発電機もエネルギー変換をするために２つのモーターを野地

本当に物理的に回転してたが、最終的には本当に回転する使っていて、
１つは水の流れを回います。ATP合成酵素の回転仮様子を映像として捉えることが出転に変換する回転タービン、もう１説を提唱したのはポール・ボイヤー

来ました。つまり、世 界で初めて

つは電気モーターです。
この２つのという生化学者です。彼が提唱しATP合成酵素のF 1がモーターの科学機器 №907

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ように回転することを実証すること

カニズムの提唱と構造解析の業績

ジョークの映像が世界的な教科

非常にユニークで、
また、理解を要なことが分かりました。
これは、私いたことに、算出された仕事量はが出来たのです。

が評価され、共にノーベル化学賞

書に付けられたのですか。

助けるまたとないシミュレーションが生物物理という物理計測を深く

ATPの化学エネルギーにほぼ匹だったわけですね。

学ぶきっかけになったものでもあり敵したのです。入力エネルギーと野地先生はノーベル賞を受賞します。

出力がほとんど釣り合っているのを受賞しました。
ちなみに同じ年にこれがその映像ですね。本当にクはもう１人、
ジェーン・スコウ氏も受賞

野地

ルクルとモーターが回るように回していますが、彼はATP合成酵素

ジョン・ウォーカー氏が発表したF 1ていた可能性があったと思うの

転しています。

とは異なる テーマでの受賞です。

部分の構造データを使って「回転ですが、いかがですか。

ボイヤー氏らの受賞は、私どものするならこんな感じでは？」というF1はい、私たちが観察したの研究が、言わばとどめになったと思の構造変化の様子を、研究室の野地はATPの分解に伴う回転運動でいますし、業界的にもそのような評す。実は、共同研究していた慶応

回転 実 験が成 功する前、まず一つは、F1モーターがクルクです。
これは、ATPの化学エネル

ルと回転している様子を見るだけ

ギーが100%の効率で回転運動にで分子の出す「力」が分かるので変換されていることを意味します。

私はただ回転を証明したす。
この実験では、F1モーターの回

このエネルギー変換効率が高い

先輩後輩と一緒に“踊って”再現しだけですが、指導教員の吉田先生

転を可視化するために、分子よりはということは、「反応が可逆的であ価をいただいています。
ノーベルたのです。映像を見ていただくと、と共同研究者の木下先生は受賞

るかに長い目印の棒を結合させまる」ことも意味します。すなわち、
こ

大学の先生は、本当に回転してい化学賞の決定は1997年10月、私中心に１人がいて、その周りに３人に値すると今でも思います。
その後、す。F1モーターは、
この長い棒を水の解析結果は、F1モーターの回転

るのか当初懐疑的でした。
そこでが論文で発表したのはその年の１の学 生 がいます。中心の１人 が私たちのグループから出た成果の中で回転させるのです。
この時の子を逆回転させるだけでATPが私に、「本当に回転するならばどち月でした。実は、ノーベル賞受賞のモーター役です。
その周りの３人が大きさを考えると、
ノーベル化学賞

回転速度は、F1モーターが出す力

合成されるであろうことを意味する

ら向きか、それがあたったらフランス

１年前にジョン・ウォーカー氏は私た

お尻をフリフリする度に、中心の人がATP合成酵素の分野に与えらと棒の粘性抵抗の釣り合いで決ま

のです。
しかし、
このエネルギー変

料理をおごるよ」という冗談話になちの研究室に立ち寄りに来たこと間が押されて回転します。

れるタイミングが数年遅かったら、２ります。
そのため、棒の長さを計測

換効率の議論には非常に大雑把り、私は構造を分析して「反時計回がありました。

人のうちどちらかは受賞されていたしておけば 、その粘 性 抵 抗からな見積もりであったため、実際にはと思います。

モーターの力（トルク）を決定するこさらに検証が必要とされていました。

野地

周囲の３人は、おしくらまんじゅう

りに回転する」と予想しました。結果その通りになり、
フランス料理の１年後にノーベル賞を受賞するのようにお尻で押すと、真ん中のただ、私たちも含め、その当時まフルコースをごちそうになった思い

教授と、野地先生が、お会いして人は楽しそうに回っています。

ではっきりしたことは「 F 1 部 分が

もう一つは、一回の化学反応、す

出があります。

いたのですね。

ATPを分解して回転する」というこ

なわちATP分子1個の分解反応

周囲の３人が順番に加水とであり、「逆回転するときにATPで、F 1モーターが何度回転するの野地

またこれが、私のアカデミアのとができるのです。
野地先生はどのように可逆性を実証したのでしょうか。

キャリアの第 一 歩にもなりました。

野地 その時、
ちょうど私が所属し分解をしていって、中心のモーターが合成されること」に関する証明かという計測です。先ほど説明した野地

1996年に学会発表、翌年１月に論ていた研究室（東京工業大学・吉が回る、ということを意味しています。

は全くされていなかったことを申し通り、F 1モーターのリング構造は3下先生研究室で博士研究員を経文発表をしました。
この成果は野田賢右研究室）にウォーカー氏がこの動画をジョークのつもりで、こっ上げたいです。

回対称性を持ちます。すなわち、こ

験したのち、東大の生産技術研究球に例えると、“ヒット”でしたが、そ訪問したのです。
この時、私が彼

そりと指導教諭の吉田先生が発のリング構造には3箇所のATP分所に着任して取り組みました。

の１本目のヒットが特大ホームランに先ほど話した「F1がATPを加水表で使う動画ファイルの最後に入

それはノーベル賞を決めるのが解/合成を触媒する反応サイトがあ「F1モーターを逆向きに回転しただったのです。それ以前、修士課

分解してモーターのように回る」とれておきました。すると学会の発表早すぎだったと思ってしまいます。

ります。
この3回対称性から予想さ

ら本当にATPは合成するのか？」

程で進化分子工学をやっていたいう未発表の動画データを見せるの最後にこの動画が映し出されて、時は、鳴かず飛ばずでしたが、博と、文字通り飛び上がって驚いてい

会場中が大爆笑でした。
もちろん

野地

本当にそうですね。
その実反応によって、F1モーターが士課程でATP合成酵素の研究ました。掛け値なしに、スゴイという教授は事前に気づいていて、私た証実験を待ってからのノーベル化

120度回転することもわかりに出会うことが出来て、とても感謝

感想を持ったようです。

ちのジョークを理解した上で使って学賞であれば、日本人が受賞したました。

公の場では、1996年の学会でくれたのです。吉田先生のおかげ可能性はさらに高かったはずです。

指導教諭の吉田賢右教授が発表で、このダンス動画も世界標準のしました。私も同席しましたが、本当教科書の付録に収録されています。

しています。

実はノーベル化学賞受賞がそばにあったかもしれないにスタンディングオベーションでした。
この成果は、今も世界的な教科書

野地

YouTubeで検索れた通り、１回のATP分解優れているATP合成におけるエネルギー変換効率

以 上を整 理 すると、F 1

この可逆性の実証は、木

実際にやってみたATP合成
磁気ビーズ

回転地場

対物レンズ

モーターの力（トルク）と移マイクロチャンバー

F1モーター

強制的に時計回りに回転

動角度がわかったことになります。
ここで、力と移動距離をかけたら仕事量がもとまる「ATPase Dance」

先ほど紹介した回転を予「Molecular Biology of the Cell」

野地

F 1部分の1分子観察実験

ように、回転トルクに回転移言したポール・ボイヤー氏、そしてに掲載されています。
そしてこの時、は、「F 1 部分がATPで回転する

動 度 を か け ると一 回 の構造を発表したジョン・ウォーカー氏

ジョークで作った映像も、教科書にモーターである」ことを実証しました

ATP分解反応による仕事

は、ATP合成酵素の回転触媒メ

付録動画として付けられています。

が、それ以外にもいくつかとても重量が見積もれるのです。驚低濃度ATP
磁場オフ

低濃度ATP
磁場オン

高濃度ATP
磁場オフ

F1を逆回転してATPを合成する様子（可逆性実証実験の模式図）

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産学官との連携度が上昇するので、F 1モーターの転前後のATPの数を見積もること野地

運搬されているのは、エネできました。
つまり、このリアクタ技術

PDMSと呼ばれるシリコンゴムの表

回転速度は、
逆反応の前の速度よができます。
その差から、逆回転でルギーの原料となるグルコースでを利用すれば、F 1モーター以外のモーターに外から力を加えて逆向面に、ミクロンサイズの窪みを作っりも上昇するのです。
そのため、磁何個のATPが合成できたのかをす。
それ自体がすぐにエネルギーを

様々な酵素も１分子計測が出来る

きの回転トルクを与える技術、
もう１ただけのものです。PDMSはマイク

気ピンセットで逆回転させるたびに見積もることができます。それを逆発生するわけではありません。
グルのではないか 、と考えたのです 。

つは合成されるATPを検出するシ

ロ流路チップやマイクロ流体デバイ

回転速度がそれ以前より上昇する

回転の数で割ることで１逆回転あ

コースをはじめとする食べ物に含ま2005年に発案し、様々な検証などステムです。外部からトルクを与えスなどで汎用されている材料です。

のです。

たり何粒ATPが出来たのか、
計測れる栄養分子は小腸から吸収さを経て「デジタルバイオアッセイ」とが出来ました。

れ、血流に乗って各組織・各細胞

いう名称を付け、現在では、色々な分野で応用しています。

という問いを検証するには、2つの野地

技術課題がありました。
１つはF 1

作りは非 常に単 純 です 。

3

る方法は、
磁気ピンセットという手法

それを使って1.8μm の体積になるを開発して達成しました。
しかし、
２

くぼみを作ったのです。

つ目の方は、はるかに難題でした。
F 1モーターの1分子を逆回転すると、一回転あたり３個のATPが合玩具のチョロQの原理でATP合成の仕組みに迫る成されることが予想されます。
しかこれも実際に映像があります。想像した通り、A T P 合 成のためにこの実験によって、「F 1モーターに運ばれるのです。その後、各細モーターを逆回転させる「前」のは、確かに逆回転されることによっ胞の中でグルコースをはじめとする

一般的なバイオアッセイでは、
目

モーターの回転よりも、一度逆回転て効率的にATPを合成する」
こと

栄養分子が多段階の触媒反応をで見えるサイズのリアクタ（試験管）させてATPを蓄えさせ、その後でを明らかにしました。
これが私の中経て、二酸化炭素と水になります。

で反応を行います。
これに対して、

回転している、
つまりATPが蓄えらでは、ATPが合成されることの、世その過程で獲得されたエネルギー

私たちはとても小さなリアクタを多れた「後」のモーターの回転の方界で初めての科学的な実証だとが、先ほど申し上げたミトコンドリア

数用意し、その中に確率的に酵素が、勢いよく回っています。

思っています。
また、世界的にもその膜電圧となり、その後ATPにな

分子を1分子単位で閉じ込めます。

のように評価をいただいています。

るのです。

そして、各リアクタ内部でアッセイをし、通常の分析化学で取り扱う量

野地と比べると絶望的に少量です。化

込めると、分子モーターの回転や学で取り扱う単位であるモルの単

逆回転がどうなるのか、目視でも面位に換算してみましょう。
１モルに含白い現象が確認出来ました。順回

いったんモーターが逆回転してまれる分子数は「アボガドロ数」とな

転は、ATPを分解しながら回転す

ATPを合成することを行うと、そそのATP合成は、私たちの体中るわけですが、回転すればするほの後はモーターが勢いよく回転しの細胞で行われていると思ってよ

ATPとは、
3÷(6×10 )=5×10 とな

どリアクタ中のATPの数（＝濃度）ています。

いのでしょうか。

り、絶望的に少ない量です。

が少なくなるので、次第に回転が遅23

り6×1 0 です。そのため、3 個の
23

-24

しかし、
いろんな分析手法を考えそのリアクターの中に閉じくなっていきます。

ると、一般に検出感度を決めるの

ATP合成酵素の研究で使った装置を進化させた
デジタルバイオアッセイ行うのです。酵 素 分 子を反 応に
よって蛍光を発する基質と一緒に微小リアクタに閉じ込めれば、酵素分子が生成するわずかな量の反応性物もリアクタ内部で濃縮される

野地 はい。脳の細胞、指の細胞、野地

ヒットした安価なミニカー「チョロＱ」

肝臓の細胞、目の細胞など全ての転によるATP合成実験で用いた

野地

これは、1970年代末に大今話した、F 1モーター逆回ことになり、十分に反応検出が可能となります。

は分子の絶対数ではなく“濃度”で映像で見て徐々に遅くなるのがの原理です。後ろに引っ張って手各細胞にミトコンドリアがあります。

「微小リアクタ技術」は、
その後、私簡単に言うと、今までの分析法す。そこで、数少ないATPを検出

分かります。ATPを消費していくを離すと前に進む、
あのオモチャの例外として赤血球などごく少数がが新しい分析技術を作るきっかけ

で反応無しや未検出などとされてするためにとても小さな体積のリアので回転するエネルギーがなくチョロＱです。
チョロＱは、進む方向ありますが、基本的には全ての細にもなりました。

いたものが、微量でも計測しやすく

クターに閉じ込めることを考案しまなっていくわけですね。

とは反対方向にタイヤを回転させ胞にミトコンドリアがたくさんいて、て力をためる、
つまり回転を内部のATPを合成しています。

した。例えば実際に作ったのは1.8

それがデジタルバイオアッセイでなります。実際に、ウイルスや癌のす。“アッセイ”とは、検体の量その早期発見にも繋がる指標が、これμm の立方体に相当するリアクタ

野地

つまり、
リアクター内部の濃エネルギーに変換して蓄え、
それを

ですので、
どこかで作ったエネル

他を測定・評価するという意味でまでよりも非常に高いレベルで発見です。
この体積は、バクテリアに匹度の変化は、F 1モーターの回転の解放すると勢いよく前に進みます。

ギーを運搬しているということではす。“バイオアッセイ”とは、細胞など、できるようになっています。

敵します。計算上は、10Hzで60秒

速度の変化として測定する事が全く同じように、
リアクターに閉じなく、全て必要なところでATPを合生物材料を用いて生物学的な反間逆回転すると、100％の可逆性

出来ることになります。言い換えると、込めた後、磁気ピンセットで逆回転成しています。人間社会のエネル

応を評 価する方 法のことを言い、があれば1,800個のATPが出来る

分子モーターの回転速度がATPされたF1モーターはATPを合成さギー源である電気は、大規模な発

その新しい手法を開発することがはずです。
これを全てこの微小リア量に呼応したセンサーになってい

れますします 。
この後、
磁気ピンセッ電所で電気を作って各所に送ってクターに閉じ込めれば、その濃度はるわけです。

トから解放されると、F 1モーターのいますが、体はそうではなく、分散型の発電というイメージになります。

3

マイクロモーラ（μM）のレベルに達こうした装置が揃い、いざ、モー

そのATPを分解して勢いよく回る、する計算です。
これは検出可能なターを逆 回 転させます。そうしてそういうことです。
これをはっきり示

数字です。

ATPを合成した後、磁気ピンセット

すことが出来ました。

から解放されたF 1モーターの回転
微小なリアクターを作るには、
どのような材料を使ったのでしょうか。

はどうなるのでしょうか。
答えは、リアクター中のATP濃食事をすると、そのエネルギーをしかも、速度変化から定量的に血 液 が 体 中に 運 搬しているとATP合成量を計測できます。逆回

思っていましたが、間違いなので転の前後の回転速度から、逆回すね。

次号「科学の峰々」
では、引き続き

野地 博行先生にお話を伺います。

生命の全てがエネルギーにするATP。
ATP合成酵素の分子モーター構造は今では世界の教科書に掲載されています