バイオナノマシンチームの螺旋運動の分子機構に迫る ――バイオナノロボの設計に向けて――研究成果

発表者

須河 光弘（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻・附属先進科学研究機構 助教（研究当時））
丸山 洋平（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 博士課程（研究当時））
山岸 雅彦（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 特任研究員（研究当時））
Robert A. Cross（University of Warwick, Warwick Medical School 教授）
矢島 潤一郎（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻・附属先進科学研究機構 准教授／東京大学 生物普遍性連携研究機構 准教授）

発表のポイント

• サンプル面内で偏光角度（0～180度）計測、および、3次元空間で位置（ナノメートルスケール）計測ができる4次元単粒子トラッキング光学顕微システムを確立しました。
• バイオナノマシンチームが運ぶカーゴ（金ナノロッド、GNR）が細胞骨格に沿って螺旋状に移動する際、GNR前後軸での回転運動だけでなく、上下軸での自転運動も行っていることをはじめて検出しました。
• バイオナノマシンチームが、螺旋状に小胞を細胞骨格に沿って運ぶ分子機構の解明により、混み合った細胞内で細胞骨格に沿って小胞を効果的に運搬する機構解明の手掛かりになり得るとともに、生体素材からつくるナノバイオロボの設計指針ともなり得ます。

発表概要

　我々の体を構成する細胞の中では、所狭しと10ナノメートル（1ミリメートルの十万分の1）程の大きさのタンパク質からなるバイオナノマシンが集団で共同作業をしています。これらバイオナノマシンは、人間が作るマシンとどことなく似ているように捉えることもできますが、化学エネルギーを力学エネルギーに変換するメカニズムや、その動く仕組みは似て非なるものです。東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻の須河光弘助教、および矢島潤一郎准教授らの研究グループは、University of Warwick（英国）のRobert A. Cross教授とともに、偏光角度・3次元位置検出光学顕微技術・数理解析を用いて、バイオナノマシン・キネシンの集団（チーム）が駆動するGNRの軌跡と偏光変動を定量し、運動のモデル化に取り組みました。

　今回開発した光学顕微システムによって、キネシン-3、またはキネシン-6で構成されるバイオナノマシンチームは、微小管の表面上を並進運動や側方運動をするだけではなく、これまでに予想もされていなかった「自転運動」を行っていることが、新たな運動特性として見出されました。さらに、ブラウニアンラチェット理論に基づく解析によって、この自転運動は、キネシン分子が微小管短軸（左右）方向に進む際の歩行方向の揺らぎの偏向を強化することが示唆されました。本研究が研究対象とするバイオナノマシンは、人間が作る歩行方向が一意的となるように設計した多くの人工マシンとは異なり、歩行方向の左右性の選択に適度な揺らぎを内在させていることが予測され、将来的には、タンパク質などの生体高分子からミクロな発動分子マシンを設計するための指針を与えるものとして期待できます。

発表詳細は大学院総合文化研究科のページからご覧ください。