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東大21世紀COEシンポジュウム2007<br />
1分子ナノバイロジー<br />
ゆらぎと生命機能<br />
柳田敏雄<br />
大阪大学大学院<br />
生命機能研究科<br />
医学研究科
95%は<br />
自発ゆらぎ?<br />
20Wt<br />
+<br />
>1Wt?<br />
Garry Kasparov<br />
世界チャンピオン<br />
生体と人工機械の違い<br />
MRS<br />
脳温度上昇測定 吉岡<br />
精山ら<br />
チェス対戦<br />
生体が仕事に<br />
使うエネルギーは<br />
極めて少ない?<br />
50,000Wt<br />
スーパーコンピュータ<br />
Blue Gene (IBM)<br />
4 T FLOPS x 2
生物はたんぱく質など生体分子でできた<br />
ナノ分子機械で構成されている<br />
DNA Molecular machine Cell Brain Human<br />
ゲノム<br />
⇔<br />
タンパク質 ⇔<br />
分子機械<br />
⇔<br />
分子モーター<br />
イオンチャネル<br />
細胞シグナリング<br />
遺伝情報読み取り<br />
細胞<br />
⇔<br />
組織・臓器<br />
分子機械に入力されるエネルギーは?<br />
平均熱エネルギーk B Tと大差ない<br />
⇔<br />
個体・生命
入力エネルギーレベルは熱ノイズと大差がない<br />
正確<br />
高速<br />
固定的<br />
半導体素子<br />
高レベル入力>>k B T<br />
S/N=exp(200kT/kT)= 10 80<br />
生体分子機械<br />
人工機械<br />
生物機械<br />
あいまい<br />
低速 低レベル入力 = 10kT<br />
柔軟(〜熱ノイズ) S/N = 104 コンピュータ<br />
脳<br />
かたい<br />
構造<br />
機能<br />
やわらかい<br />
構造<br />
機能
熱ゆらぎの影響を遮断できないので<br />
生物デバイスの見かけの性能は非常に劣る<br />
DNA Molecular machine Cell Brain Human<br />
ゲノム<br />
⇔<br />
タンパク質 ⇔<br />
分子機械<br />
⇔<br />
細胞<br />
⇔<br />
組織・臓器<br />
⇔<br />
個体・生命
動作時間<br />
正確度<br />
(信号/ノイズ)<br />
例1)動作速度と正確度<br />
コンピュータ素子<br />
速い<br />
正確<br />
コンピュータ<br />
(スパコン:トラジスタ<br />
約100億個)<br />
~ナノ秒<br />
(10 -9 )<br />
生物素子<br />
~ ミリ秒<br />
(10 -3 )<br />
百万倍遅い<br />
10 80 10 4 桁違い<br />
に間違う<br />
遅い<br />
よく間違う
I<br />
= 0<br />
こうろぎ<br />
感覚ひげ<br />
気流<br />
感覚ニューロン<br />
Pulses<br />
Data carrying rate by Shannon<br />
W<br />
∫<br />
* ⎡ SS ( f ) ⎤<br />
log 2 ⎢1<br />
+ ⎥df *<br />
⎣ NN ( f ) ⎦<br />
[bits/sec]<br />
From T. Shimozawa<br />
例2)データ伝送性能<br />
400 bits/秒<br />
データ伝送速度<br />
光ファイバーによる<br />
デジタルデータ伝送<br />
: 10 9 bits/秒<br />
比較;生物のほうが百万倍遅い
生物と人工機械部品の性能の比較<br />
例3)記憶容量<br />
“記憶の天才”キム、ピーク<br />
映画レインマンのモデルに<br />
もなった発達障害をもつキム<br />
=ピークは7、600冊の本<br />
を丸暗記し、米国内すべての<br />
市外局番、高速道路、郵便番<br />
号、その都市をカバーする全<br />
テレビ局や電話会社名などを<br />
記憶している。カレンダー計<br />
算能力も持ち合わせていて、<br />
誕生日を言えば定年を迎える<br />
65歳の誕生日が何曜日になる<br />
かをたちどころに教えてくれ<br />
る。
ヒトの<br />
記憶容量=200円のDVDdisc 2枚分<br />
DVD2枚分<br />
400円???<br />
Kim Peak<br />
He memorizes<br />
7,600 books.<br />
1 冊=1GB<br />
7,600 冊=7.6GB<br />
ヒト大脳記憶容量<br />
DVD disc= 4.7GB<br />
200yen (2$)<br />
x 2<br />
= 400yen (4$)
生物はおそろしく粗末なデバイス<br />
で作られている<br />
DNA Molecular machine Cell Brain Human<br />
ゲノム<br />
⇔<br />
タンパク質 ⇔<br />
分子機械<br />
⇔<br />
細胞<br />
⇔<br />
組織・臓器<br />
しかし、人工機械では真似できない性能を発揮<br />
⇔<br />
個体・生命<br />
生体は基本的異なる原理で働いている
熱揺らぎの影響を遮断できないので<br />
生物デバイスの見かけの性能は非常に劣る<br />
DNA Molecular machine Cell Brain Human<br />
ゲノム<br />
⇔<br />
タンパク質 ⇔<br />
分子機械<br />
⇔<br />
細胞<br />
⇔<br />
組織・臓器<br />
生体は基本的異なる原理で働いている<br />
何が異なるのか?<br />
⇔<br />
個体・生命
分子機械のしくみを探る<br />
1分子ナノ計測の開発<br />
1分子イメージング 1分子捕捉<br />
分子モーター<br />
化学反応の<br />
1分子イメージング<br />
分子機械<br />
分子機械:<br />
生物の最小<br />
機能単位<br />
1分子ナノ操作<br />
ナノサイズの分子機械1個を見て触って調べる
Single molecule nano-detection<br />
1) Single molecule imaging<br />
2) Single molecule nano manipulation<br />
Fluorophore<br />
5nm<br />
Myosin
夜空に光る星は遠くにあっても見える
量子ドットを使うと時間分解が<br />
nm, ms の分解能で<br />
運動を追跡<br />
Q-dot<br />
νһ νһ<br />
ミリ秒になる<br />
FI<br />
Myosin-V<br />
36nm<br />
強い蛍光を発する<br />
Actin filament
Imaging of single fluorescent dyes<br />
Total internal reflection<br />
TIRF<br />
Near field<br />
Background noise:<br />
2000-fold smaller<br />
than conventional<br />
fluorescence<br />
microscope
Fluorescence images of single fluorophores<br />
Main players<br />
Funatsu, Harada, Saito, Tokunaga, et al. Nature 374,’95
Applications<br />
1) Molecular motors<br />
2) ATPase reaction<br />
(enzyme reaction)<br />
3) Conformational changes<br />
(FRET)<br />
4) DNA motor<br />
5) Signaling in living cells<br />
.<br />
.
細胞内で小胞を運ぶ<br />
分子モータミオシンV<br />
1個の運動を見る<br />
小胞<br />
ミオシンV<br />
~20nm<br />
アクチンフィラメント<br />
Vale, Funatsu, Harada, …<br />
Nature 380,1996
分子モータミオシンVのアクチンフィラメントに沿った<br />
運動の1分子イメージング<br />
Nishikawa, Iwane, et al. 2006
コンピュータ画像解析を組み合わせると<br />
ナノの空間分解能が可能になる (FIONA)<br />
FL<br />
image<br />
光学顕微鏡の<br />
分解能=200nm<br />
D=(λ/NA)・0.61<br />
FI<br />
Y軸<br />
200nm<br />
1nm<br />
X軸<br />
分解能<br />
P. Selvin et al
Direct observation of individual ATPase cycles<br />
Molecular machines are fueled by chemical energy<br />
from ATP (Adenosine triphosphate) hydrolysis.<br />
hydrolysis<br />
ATP ADP + Pi<br />
Energy
Fluorescent ATP analog Cy3-ATP
Cy3-ATP<br />
Cy3-ATP<br />
Single molecule imaging of<br />
Cy3-ATP<br />
ATPase turnovers<br />
Cy3-ATP<br />
Cy3-ATP<br />
Evanescent field<br />
GFPmyosin<br />
Cy3-<br />
ATP<br />
Concentration of Cy3-ATP<br />
is limited to
Movement<br />
Simultaneous observation of ATPase turnover<br />
and movement<br />
by QFRET & QFIONA<br />
ATPase turnover<br />
ブラウン運動を使って<br />
アクチンフィラメント上<br />
を歩く<br />
ミオシンV<br />
Okada et Okada al. BBRC et al. BBRC 2007 2007<br />
Komori Komori, et al. Nature et al. SMB 2007<br />
Komori, Nature Nishikawa S.M.B et 2007 al.<br />
in 25 preparation
Single molecule detection technology<br />
1) Single molecule imaging<br />
2)Single molecule nano-manipulation
Single molecule nano-manipulation<br />
Optical tapping nanometry<br />
Barbed-End Pointed-End<br />
Myosin<br />
Pedestal<br />
Finer,..Spudich, Nature 368 1994<br />
Motor Trap<br />
and Bead<br />
Scanning probe nanometry<br />
Ishijima, et al, Nature,1991,<br />
BBRC 1994<br />
Kitamura, Tokunaga, et al.<br />
Nature397,1999
Single molecule nano-manipulaiton<br />
Capture of<br />
dielectric particles<br />
by photon pressure<br />
A. Ashkin et al., 1986<br />
Opt. Lett. 11:288-290<br />
by optical tweezers<br />
Laser
遺伝情報読みとり装置<br />
光ピンセットによるDNAの1分子操作<br />
Harada et al.
1分子ナノ計測を使って<br />
分子機械の仕組みをさぐる<br />
酵素作用 エネルギー変換<br />
代表的分子機械<br />
分子モーター<br />
分子識別 自己集合<br />
分子モーターはたんぱく質の持つ<br />
重要な機能を集約して持っている
分子モータ1個の動き、化学反応を計って調べる<br />
筋細胞<br />
cm<br />
1兆の百万倍個<br />
筋原繊維<br />
サルコメア(節)<br />
アクチンフィラメント<br />
マイクロメータ<br />
(1万分の1cm)<br />
収縮<br />
ミオシンフィラメント<br />
分子モーター<br />
ミオシン分子<br />
アクチン分子<br />
重合体<br />
化学エネルギー<br />
ATPaseサイクル<br />
ナノメータ<br />
(1千万分の1cm)<br />
1個
分子モータ1個の<br />
化学(ATPase)反応と力学反応の同時測定<br />
ナノ<br />
計測<br />
ATPase<br />
反応<br />
エバネッセント<br />
1分子イメージング<br />
光<br />
ピンセット<br />
分子モーター<br />
力学反応<br />
化学反応<br />
大きさ:5~20nm<br />
Ishijima, Higuchi., et al. Cell<br />
92 (1998)<br />
Komori, Nishikawa, et al.(2007)
Evanescent field<br />
Water<br />
Glass<br />
Oil<br />
Laser<br />
変位発生の過程を見る<br />
Objective lens<br />
A pair of photodiodes<br />
Microneedle<br />
Images of single myosin heads<br />
Nanometry<br />
Probe<br />
Myosin head<br />
Evanescent field<br />
Whisker<br />
Displacement<br />
Laser in Laser out<br />
Single-molecule imaging<br />
Actin filament<br />
Kitamura, Tokunaga, Iwane, et al.<br />
Nature 397 ’99, Biophysics, 1, 2006<br />
Okada et al. BBRC, 2007
変位は5.5nmの前後にゆらぐ<br />
サブステップで引き起こされる<br />
1 ATP cycle<br />
Expanded<br />
Displacement<br />
Displacement<br />
Process<br />
Process<br />
1 0.1pN
結果<br />
分子モーターは熱ゆらぎを遮断するのではなく<br />
ブラウン運動を利用して運動する<br />
Myosin<br />
Actin
ランダムなブラン運動から1方向の運動を<br />
選択するしくみは?<br />
水分子と顆粒のブラウン運動<br />
コンピュータシミュレーション<br />
ランダム運動<br />
一方向の運動
ランダムなブラウン運動から一方向の運動を取り出す<br />
Yanagida et al. Roc.Soc.Lon.2000<br />
Iwaki, et al. in preparation<br />
ひずみセンサーモデル<br />
ブラウン運動<br />
ATPの化学エネル<br />
ギーはセンサーの<br />
スイッチング、前<br />
後の運動の選択に<br />
使われる
分子モータキネシンもバイアスブラウン運動<br />
で動いている<br />
1. ステップ運動を測る 2. Single ステップの性質を調べる<br />
molecule nanometry<br />
キネシンモーター<br />
4. ステップ発生のメカニズムへの示唆<br />
Model<br />
Nishiyama, Higuchi et al. Nat. Cell Biol. 2002;<br />
Taniguchi, et al. Nat. Chem.Biol. 2005<br />
自由エネルギー<br />
d<br />
p<br />
τ<br />
3. ステップ発生の熱力学的記述<br />
Bias potential energy is entropic<br />
TΔS=6kT
エネルギー変換効率<br />
(MyosinV)<br />
E = 2 pN×36 nm<br />
= 72×10 -21J /ATP<br />
ΔG ATP ≒<br />
Maximum<br />
-80×10 -21 J/mol<br />
Efficiency >50%<br />
熱雑音程度の入力エネルギーでも >50%以上の効率<br />
Tanaka, ….ty, Nature 415,2002
生体素子は<br />
1)<br />
2)<br />
熱ゆらぎを積極的に利用する<br />
熱ノイズ程度の低いエネルギーで<br />
効率よく働く 省エネ<br />
しかし、動作は<br />
確率的(ゆらぎ)で<br />
あいまい<br />
人工機械にとってネガティブ<br />
システムの機能的<br />
やわらかさ、<br />
自律性?
Information and entropy<br />
シラードのピストン悪魔<br />
①<br />
②<br />
③<br />
④<br />
熱<br />
浴T ・ 分子<br />
熱<br />
浴T<br />
熱<br />
浴T<br />
熱<br />
浴T<br />
・<br />
・<br />
・<br />
仕切り<br />
左に分子が来た時に仕切を入れる。<br />
Q<br />
左にきた!<br />
膨張 V<br />
あれ? 2<br />
コンピュータは1ビットのデータ<br />
処理にいくらのエネルギーを<br />
使っているか?<br />
V<br />
20 x 10 6 k B T/bit<br />
2050年にはコンピュータの温<br />
度は太陽に表面温度になると<br />
予想される ムーアの法則の<br />
破綻。
Information and entropy<br />
シラードのピストン悪魔<br />
①<br />
②<br />
③<br />
④<br />
熱<br />
浴T<br />
熱<br />
浴T<br />
熱<br />
浴T<br />
熱<br />
浴T<br />
Heat bath<br />
Molecule<br />
Q<br />
Left<br />
Demon<br />
・<br />
・<br />
Screen<br />
Expand V<br />
あれ? 2<br />
もし揺らぎを<br />
つかったら?<br />
②<br />
③<br />
④<br />
⑤<br />
V<br />
④ Volume is expanded<br />
Temperature is decreased,<br />
So heat Q is transferred to<br />
the box.<br />
The temperature is kept<br />
constant.<br />
QはQ =<br />
kBT V<br />
V/2<br />
=kBT pdv<br />
In2 である。<br />
Q=k BT ln2 = 0.7k B T/bit<br />
(Cf,Computer:20x10 6 kBT/bit)<br />
シャノンの情報量のDef. I = -ClnP= -k BT lnP = -S(エントロピー)
熱ゆらぎ(ノイズ)は細胞情報処理でも<br />
有効利用されている?<br />
Gradient of a chemoattractant<br />
最低刺激濃度 (nM程度)<br />
細胞両端での結合勾配の差<br />
ΔN/N 2%<br />
ゆらぎ √<br />
5%<br />
Ueda、Sako, et al. Science 294 (2001)
アメーバ<br />
の走電性<br />
電場勾配+ノイズ<br />
細胞<br />
細胞内情報伝達<br />
カスケード<br />
内部ゆらぎ<br />
ー +<br />
2mV/10μm<br />
出力は?<br />
佐藤、上田、高木ら<br />
準備中
電場勾配+ノイズ<br />
細胞<br />
細胞内情報伝達<br />
カスケード<br />
内部ゆらぎ<br />
ノイズ(ゆらぎ)は<br />
走電性効率を上げる!<br />
ー + ー +<br />
2mV/10μm + 1mV/10μm の電位ゆらぎ
ノイズ(揺らぎ)は走電性の効率を上げる<br />
C<br />
Velocity toward<br />
cathode<br />
C<br />
図4-6 走電性応答におけるゆらぎの効果<br />
平均電位勾配2 Membrane [V/cm]で、振幅1 potential [V/cm]、100Hzの電位ゆらぎを印加した。<br />
= 47mV<br />
A,B, 運動の方向性はほぼ変化しないが、細胞の運動速度がおよそ5 [μm/min]上昇した。C, x軸方向<br />
Applied voltage = 2mV/membrane<br />
た。これは最大平均変位速度が高く なったためである。 y軸方向の平均変位速度にほぼ0のままで<br />
Fluctuation = 1mVp-p/membrane<br />
+fluctuation(noise)<br />
Sato, Ueda, et al. in preparation
GPCR<br />
細胞内<br />
活性不活性の自発的揺らぎ<br />
cAMP<br />
Gαβγ<br />
Ras<br />
活<br />
性<br />
情報処理は分子<br />
ネットワーク<br />
でなされる。<br />
PI3K<br />
アクチンミオシン<br />
PIP2<br />
PIP3<br />
CRAC<br />
運動<br />
PTEN<br />
不<br />
活<br />
性<br />
PI3K(活性化)とPTEN(不活性化)<br />
の場所での自発揺らぎ<br />
Arai, Ueda, et al.
細胞はON(運動:緑)とOFF(静止:赤)の状態の場<br />
所を自発的に揺らがせて、どこに刺激が来てもすぐ<br />
柔軟にレスポンスでいるように準備している<br />
2s interval<br />
(x30 speed)<br />
confocal<br />
• Spontaneous and reciprocal localization of PHAkt/PKB,PTEN<br />
• Formation of the self-organized traveling waves<br />
• Periodic oscillation was observed
ヒトの脳も(熱)ゆらぎを巧く利用している?<br />
トップダウン的研究<br />
Stochastic Dynamics<br />
of Visual Perception<br />
視覚認知の確率的ダイナミックス<br />
トップダウン的研究<br />
Murata et al. Neuro Report 2004<br />
Murata et al. submitted
多義図形<br />
男と娘<br />
DALI “The image disappears” 1938
Ambiguous figure Perception<br />
Stochastic Behavior of perception<br />
Depth Figure & Ground Object (person)<br />
Necker cube<br />
Rubin’s vase and faces<br />
Boring’s young and<br />
old woman<br />
Motion Motion+Depth<br />
Apparent motion Rotating Sphere
Ambiguous figure perception is driven<br />
by spontaneous fluctuations<br />
男<br />
娘<br />
知覚の<br />
切り替え<br />
意識の<br />
切り替え<br />
自発揺らぎ<br />
Murata et al., Neuro Report 2004
生命機能に学ぶものづくり<br />
目標設定が不明確<br />
状況や環境変化に<br />
応じて目標が変化<br />
ノ<br />
ン<br />
コ<br />
ン<br />
ピ<br />
ュ<br />
ー<br />
タ<br />
ブ<br />
ル<br />
ゆらぎ<br />
ノ<br />
ン<br />
ア<br />
ル<br />
ゴ<br />
リ<br />
ズ<br />
ミ<br />
ッ<br />
ク<br />
柔軟性・融通性<br />
イノベーション<br />
生体分子素子<br />
アルゴリズミック<br />
脳<br />
半導体素子<br />
正確さ・速度・容量<br />
人工機械<br />
コンピュータ<br />
決定論的<br />
目標設定が<br />
明確<br />
シリコンサイエンス
Change language