生物物理 53（3），164-165（2013）

トピックス
新進気鋭シリーズ

第50回 日本生物物理学会年会 若手招待講演

ブラウン型ナノマシンの作動原理
岩城光宏1,2,3

1.

1

理化学研究所生命システム研究センター

2

大阪大学大学院生命機能研究科

3

ハーバード大学医学部・ダナファーバー癌研究所

search-and-catch」と筆者らは名づけている．しかしな

はじめにがらこれまでの研究では，この 2 つの運動素過程がど

自然は 38 億年の試行錯誤の果てに，柔軟性，適応の程度モーターのエネルギー変換に貢献するのかわ性や超低消費エネルギーを実現するナノテクノロジーかっていなかった．そこで，（1）,（2）の両方の過程を作り上げている．これら自然のテクノロジーに対すが直視できるミオシン V に外力を加えて 1 分子解析

る理解の解像度を高め，自在に制御することができれを行った 3)．

ば，医療・工学へのスムーズな応用が期待できる．本

2 つの運動素過程を高精度で可視化するためにはミ稿では，生体内でナノアクチュエータとして機能する

オシン V のモーター部位の位置をマイクロ秒の時間モーター蛋白質のミオシンをモデル系とした筆者らの分解能で検出する必要がある．我々は，ミオシン V最近の研究と今後の展開について紹介する．のモーター部位に定量的に力を加えつつ，モーター部2.

位の位置をモニターする方法として，DNA ハンドル

ブラウン運動を止める仕組みとエネルギー変換を介してポリスチレンビーズの光ピンセット操作を行

蛋白質はナノメートルのサイズであり，周囲の溶媒う系を構築した 3)．

分子の衝突に起因するブラウン運動に絶え間なくさら

光ピンセットで捕捉されたビーズでモーター部位のされている．ミオシンのような 1 方向運動（筋収縮，位置をモニターしつつ力を加えると，レバーアームの小胞輸送など）を行う蛋白質にとっても，その運動素回転に起因する変位と Brownian search-and-catch が観察過程にブラウン運動が内在しているのが直視されていされ，外力の強さに依存して，レバーアームの可逆的る ．このようなブラウン型ナノマシンの作動原理にな逆回転も観察された（図 1a）．レバーアームの外力

1)

ついては，内包するブラウン運動をどのような仕組み

依存的な 2 状態転移の解析から 2 状態間の構造安定性で制御しているかが本質的な問いかけではないだろう（自由エネルギー差）を見積もることができ，約 3 kBTか．その仕組みについて，筆者らは，メカニカルな信のバイアスで運動方向に構造変化が起こりやすいこと

号を基に制御する（前方でブラウン運動を止める）スがわかった（図 1b）．ミオシンが行う最大仕事は 10 kBT

トレインセンサー機構を提唱したので詳細は文献 2 を以上あるため，ミオシンのエネルギー変換にはレバー参照していただきたい．

アームの回転を主な駆動源とする教科書的な見方 4) を一方で，蛋白質の機能発現には構造変化を伴うのが覆すこととなる．一方で，Brownian search-and-catch で一般的であり，ミオシンでもレバーアームモデルと呼行われる最大仕事も定量することが可能であり，最大ばれ教科書には必ず紹介されている．また，実際に，で 14 kBT であった．これは，catch で共役して起こる，力発生や 1 方向運動をサポートする向きへの構造変化

モーター部位からのリン酸（入力エネルギーを供給すも 1 分子レベルで直視されている ．つまり，ミオシン

る ATP の加水分解産物）の解離で得られる化学エネの 1 方向運動の素過程には，（1）レバーアームの構造ルギー差（〜13 kBT）にほぼ等しい．つまり，入出力変化，および（2）ブラウン運動を制御する過程の両方のエネルギー収支も矛盾なく，本研究で得られた運動を含むことになる．（2）に関しては，特に，「Brownian

素過程の実測パラメータを基に行ったランジュバンシ

1)Mechanism of Brownian Nano Machine
Mitsuhiro IWAKI1,2,3
1
Quantitative Biology Center, RIKEN
2Osaka University
3
Harvard Medical School※図 1 は，電子ジャーナル（https://www.jstage.jst.go.jp/browse/biophys/-char/ja/）ではカラー版を掲載しています．

164ブラウン型ナノマシンの作動原理

図1（a）モーター部位の変位．ローパスフィルタを通した後にステップ検出アルゴリズムによってフィットを行った．（b）レバーアームの構造安定性（c）環境パラメータ（外力とショ糖濃度）依存的な機能発現モード．高負荷領域では Brownian search-and-catch の寄与が大きく，1 M ショ糖を加えると，アクチンに沿った運動が全体の約 10% で観察された．

ミュレーションでも，ミオシン V のこれまでの 1 分いているのではないだろうか（図 1c）．

子計測の結果をうまく説明することができた．
3.

おわりに

4.

多様な環境で柔軟かつロバストな機能を実現する多重機構

ミオシン V の解析から提案した上記の仮説がどこ以上の結果を踏まえると，2 種類の仕組みを上手くまで普遍性を持つかわからないが，筆者は，DNA ナ利用して生理的機能を果たしている可能性が見えてきノテクノロジーと 1 分子計測技術を融合した形で，ブた．細胞内では生体分子濃度や細胞骨格密度がダイナ

ラウン型ナノマシンやこれらのナノマシンの結合系のミックに変動しており，ミオシン V などの小胞輸送デザインと解析を通した検証を始めている．合成生物

モーターは障害物や力場の変化に適応しつつ荷物を効

学的アプローチを通して生体システムの長所を学び制率良く届ける必要がある．レバーアームの構造変化に御することで，医療や工学に貢献できればと思う．

よる駆動が主役になると，デジタル的で外力環境が変化しても一定であるため確実性と作動効率（速度）は謝

辞あるが，障害物に弱い．一方で，Brownian search-and-

本研究は，大阪大学の柳田敏雄研究室で行い，一部

catch はブラウン運動駆動なので外力などの環境パラは大学院生の藤田恵介氏と共同で行ったものです．共メータに強く依存し，一気に前方の結合位置に到達し同研究者の皆様に感謝致します．本研究は主に新学術ないので作動効率はあまり良くないが，障害物を避け領域研究の支援を受けて行われました．

るだけの柔軟性を持つ．そこで，両者を適切な配分でハイブリッドさせることによって，多様な環境で柔軟

文

献かつ外力にもある程度ロバストに対応できるように設1)

Shiroguchi, K., Kinosita K. Jr. (2007) Science 316, 1208-1212.

2)3)

岩城光宏 (2010) 生物物理 50, 88-89.
Fujita, K. et al. (2012) Nat. Commun. 3, 956.

計されているのではないだろうか．このような設計
は，筋肉のような多体モーター系でも，分子間での協4)

Spudich, J. A. (2001) Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2, 387-392.

調性や柔軟性，エネルギー変換効率を最適化している

5)

Kitamura, K. et al. (1999) Nature 397, 129-134.

ようにも思える．

6)

Takano, M. et al. (2010) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 77697774.

加えて，3 種類目の仕組みとして，筆者らは近年，浸透圧調整剤としてショ糖を加えることで，ミオシン
V の Brownian search-and-catch 中に，レールとなるアクチンフィラメントに沿ってモーター部位が 1 方向運動するケースを見出した．マイクロニードルを用いた
1 分子計測 5) やシミュレーション 6) でも観察されているもので，細胞内の浸透圧環境など生理的環境下でも岩城光宏

観察されると生理的な意味づけが可能となるかもしれない．いずれにしても，ブラウン型ナノマシンの作動原理としては，このような環境応答性の多重機構が働
165

岩城光宏（いわき みつひろ）
理化学研究所上級研究員
大阪大学生命機能研究科招聘准教授
ハーバード大学客員研究員
大阪大学大学院博士課程修了，大阪大学大学院医学系研究科助教を経て，現職．
研究内容：自己組織化生体システムのデザインと制御
連絡先：〒 565-0874 大阪府吹田市古江台 6-2-3
E-mail: iwaki@fbs.osaka-u.ac.jp
URL: http://www.qbic.riken.jp/cdo/iwaki-subg/
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