自然界にある分子モジュールから人工的な分子モーターの創出に初めて成功

細胞の中で働くタンパク質は、数～数十ナノメートル程の大きさであり、周囲の分子による激しい熱運動にさらされています。この状況においても、細胞内の物質輸送を担う生物分子モーターは、高い効率で自律的に一方向の運動を行うことができます。この原理は、自律的に動く分子マシンの構築に欠かせない情報であるため、力学的な計測や分子構造の解析など、様々な方法によって精力的な研究が世界中で進められてきました。これまでに、既存の生物分子モーターを分析することによって、個々の生命活動に適した構造や機能に対する理解は大きく進みましたが、ナノメートルスケールにおける一方向性運動を生み出す本質的な要素を明らかにすることは未解決の課題でした。

ナノメートルサイズの生物分子モーターの一方向運動を、モジュールの組み合わせで実現できたことによって、熱運動の下での運動創出の原理に迫ることができました。この原理は、タンパク質だけではなく、有機材料などのナノ材料にも応用が期待できるので、新たな分子マシンの設計や構築に役立つ可能性があります。

真核生物の細胞内の物質輸送を担う生物分子モーターは、周囲の分子による激しい熱運動にさらされている状況でも高い効率で一方向の運動を行うことができます。生物分子モーターは、エネルギー源であるATPを加水分解して、この反応に共役した大きな構造変化を起こし、一方向性の運動を作り出すとされています。この運動機能の原理の解明を目指して、分析的な方法によって様々な角度から研究が進められてきました。しかし、進化を通じて多様な機能を獲得してきた既存の生物分子モーターを分析する研究だけでは、個別の生命活動に適した構造や機能を理解することはできても、ナノメートルスケールにおける一方向性の運動の本質に迫ることは容易ではありませんでした。この基本原理を明らかにするためには、既存の生物分子モーターの分析に加えて、単純な機能を持つ要素を組み合わせることによって目的とする機能（この場合は運動）を創り出すような構成的な研究手法が効果的です。

私たちは、分子モーターのメカニズムを3つの要素の集合と捉えました。1つ目は、レールとなる繊維タンパク質（微小管やアクチン）との立体特異的な結合部位を持つこと、2つ目は、ATP加水分解能を使って適切なタイムスケールで結合・解離を繰り返すこと、3つ目は、この結合・解離のプロセスに関してフィラメントの一方へバイアスを持つことです。これらの3つの要素を実現できる機能モジュールを自然界に数多く存在するものの中から選び、そのいくつかの要素を組み合わせることによって、ナノメートルサイズの分子モーターが激しい熱運動の中で一方向性の運動を生み出す原理に迫りました。

さらに、私たちは、これらの機能モジュールの組み合わせ方を変えることで、運動方向性を自在に変えることができることを発見しました。具体的には、機能モジュールの組み合わせ方を変えるために、円順列変異という技術をアクチン結合タンパク質に適用し、ダイニンモジュールとアクチン結合タンパク質モジュールのつなぎ方をランダムに変えるという手法を開発しました。その結果、組み合わせ方によっては、元々の運動方向性が逆転し、アクチン上を元の分子モーターとは逆方向に運動するモーターに変換できることを示しました。この運動方向性と、モジュールの組み合わせ方の間の対応関係を調べることにより、分子モーターの運動方向を決める機構に関して新たな知見を得ました。

今回得られた情報から、私たちは、生物分子モーターが熱運動を抑え込むより、むしろ駆動源として利用しており、熱運動をうまく一方向に整流して運動を実現しているというメカニズムを提案しました。

生物が使用している分子マシンは、ナノメートルスケールという極めて小さな世界に存在するため熱運動の嵐の中でも頑強に作動するという、人工の機械とは異なる特長を備えていますが、その設計原理は、いまだに謎に包まれており、本研究は、その解明に向けた大きな一歩であるといえます。将来的には、人為的に制御できる自律型の分子マシンの設計原理を理解することにより、生体親和性の高いアクチュエータ（例えば人工筋肉）や、生物を模倣した新しい情報処理デバイスを開発することにつながると考えられます。