研究課題名：一分子生理学による生体分子機械の動作機構の解明

1．研究課題名：

一分子生理学による生体分子機械の動作機構の解明

2．研究期間：

平成16年度～平成20年度

3．研究代表者：

木下　一彦（早稲田大学理工学部・教授）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　たんぱく質ないしRNAでできた「分子機械」が働く原理を解明するため、1個1個の分子が機能している様子を現場で連続観察し、さらに分子に操作を加えてそれに対する応答を調べるのが、一分子生理学である。本研究は、光学顕微鏡下の一分子生理学を駆使して、分子機械の動作原理の根元的理解をめざす。具体的には、可逆な回転分子モーターであるF₁-ATPase（エフワンエーティーピーエース）や、リニアー分子モーターであるミオシンなどの、ATP駆動の分子機械、およびATP合成酵素のF₀（エフゼロ）部分などプロトンないしイオン流駆動の分子機械の、動作原理の解明を主眼とする。個別の分子機械の動作機構もさることながら、多種多様な分子機械の研究の嚆矢となり見本・参考となるような、一般原理の提出をめざす。
　本研究ではとくに、必ずしも複雑な装置に頼ることなく、「一目で分かる」観察結果に基づき、生体分子機械の作動原理を分かりやすく示すことを目標とする。プラスチックビーズなど、分子機械に比べて巨大な目印を使い、分子機械の動き・構造変化を直接可視化する。巨大目印は磁石や光による分子機械の操作や、分子機械の出す力の測定にも用いる。必要に応じて蛍光性ATPなどの蛍光色素一分子イメージングも加えて、分子機械の動作原理を探る。
　巨大目印を用いた一分子生理学は、思いつくのは簡単だが、実現は試行錯誤の連続で、失敗に終わるのが大部分である。しかし、うまくいけば大きな実を結び、他分野にもインパクトを与える。新しい道を切り開き、一分子生理学をリードしていきたい。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　本研究は、始まってほぼ1年が経過したところであり、当初計画通り、まずは新しい実験系の開発に、試行錯誤で取り組んでいる。具体的には、（1）ATP合成酵素のF₀（エフゼロ）部分（プロトン流駆動の回転モーターと目される）の回転の証明と回転機構の解明、（2）2本足のリニアーモーターミオシンの脚の動きを直視し、「歩行」機構を解明する、（3）ATP合成酵素のF₁（エフワン）部分（ATP駆動の回転モーター）の強制逆回転によるATP合成機構の解明、を目指している。
　（2）の歩行機構に関しては、ミオシンの脚部にミクロンサイズの巨大な棒を結合させ、光学顕微鏡下で脚の動きを連続観察できるようになった。一見するとほんとうに「歩いて」いるような、前後への角度変化が見えつつある。（1）では、ATP合成酵素をまるごと膜中に再構成し、ATP駆動（F1（エフワン）による）のステップ状回転が見られるようになった。膜の両側にプロトンの化学ポテンシャル差を形成することにより、F₀（エフゼロ）を駆動してこの回転を逆行させる予定で、あと一歩の所まで来ている。（3）のF₁（エフワン）の逆回転によるATP合成は、定性的な証明にはすでに成功しており、機構解明のために定量測定ができる系の開発を目指している。
　従来から研究を続けてきたF₁（エフワン）モーターのATP駆動の回転の仕組みに関しては、我々の手で最終的な理解に到達するのが責任と考え、蛍光色素1分子イメージングも駆使して、活性部位における化学反応と回転の関係を確立しつつある。予想しなかった結果も出つつあり、これまで考えていた回転機構ではすまないかもしれない。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　ATP合成酵素をまるごと膜中に再構成し、ATP駆動（F1（エフワン）による）のステップ状回転が見られるようになった。膜の両側にプロトンの化学ポテンシャル差を形成することにより、Fo（エフゼロ）を駆動してこの回転を逆行させることができれば、化学ポテンシャルによるATPの合成機構が分子レベルで明らかになることになる。これは極めて重要な成果になるであろう。ミオシンの脚部に微小管を結合させ、光学顕微鏡下で脚の動きを連続観察できるようになった。近い将来、ミオシンがどのようなメカニズムでアクチン線維上を移動するのかが明らかになる可能性が高い。ミオシンの歩行運動の可視化の成功は世界的に見ても画期的な成果といえる。F1（エフワン）の逆回転によるATP合成の定量的な測定系の開発も順調に進展している。研究組織は効率よく考えられており、周囲の研究室や研究機関とも有機的な連携が行われている。購入された設備備品は研究目的に合わせて有効に活用されている。