微小管の機械的性質と量子生物学の現在

2015/01/29
2015．01．06　セミナー
微小管の機械的性質と
量子生物学の現在
川井将敬
背景
•  1944年にオーストリアの物理学者Erwin Schrödingerに講演
「What is life?」が刊行され後の生物学に大きな影響を与えた
•  生体内の化学反応はすべて量子力学的効果だといえるが、
量子もつれ、トンネル効果といった量子力学特有の現象は温
かくごちゃごちゃした細胞内で起こっているとは考えられてい
なかった。
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背景
•  最近、そのような現象が生体内でも起こっている証拠が見つ
かりだして来た。(Jim Al-Khalili & Johnjoe McFadden　(2014). Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum
Biology.)
•  線毛の骨格は微小管であることと、細胞内の微小管が量子的
現象の場となっているとする仮説 Orchestrated Objective
Reduction (Orch OR) (S. Hameroff & R.Penrose, 1996) に
興味を持ったことから、微小管の物理的性質を調べた論文を
紹介する。
•  微小管の物理的性質は今までに計測されて来たようだったが、
値がまちまちであった。
2015.01.06 セミナー　川井
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実験概要
•  微小管に対してNAMDというソフトを使い、Molecular
Dynamics (分子動力学法) シミュレーションを行った。
•  長軸方向、横方向の応力、ねじりによる微小管の変形を
シミュレートし、機械的性質を推定した。
Molecular Dynamics (分子動力学法)とは
2体（あるいはそれ以上）の原子間ポテンシャルの下に、古典力学における
ニュートン方程式を解いて系の静的、動的安定構造、ダイナミクスを解析する手法
（wikipedia)
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微小管はα、βサブユニットの二量体が
構成するprotofilamentsによって形成される。
生体内では通常13本のprotofilamentsからなる。
極性があり+方向への伸長の方が速い。
Protofilament間の結合には
N system (B type lattice) と
S system (A type lattice)がある。
Fig2. N system, S systemのセットアップ
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長軸方向の応力-ひずみ曲線.
Complete microtuble
N
S
ε<0 / 0<ε
ε<0 / 0<ε
1.4GPa / 0.3GPa
1.3GPa / 0.5GPa
1.2GPa
Young‘s modulus
微小管のシミュレーションのセットアップ
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横方向の応力をかけた場合の
シミュレーション
S
0.05　<　ε　<　0.15　での
バネ定数は0.3 N/m
S
+端
-端
ねじりのシミュレーション。
時計方向と反時計方向でねじられやすさ
が違う事がわかる。
時計方向の方がねじられやすい。
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+端
Node の線毛は時計回りに回転しているが、
シミュレーションではパラメーターによっては反時
計回りも可能だという論文がある。(A. Hilfinger et
al., 2008)
時計方向の回転
-端
総括と感想
•  コンピューターシミュレーションによって微小管の物理的性質
が導かれた。しかしこれが妥当かどうかはやはり実験と整合
性がとれているかどうかからはんだんするしかない。
•  コンピューターシミュレーションに計測の難しい物理的性質が
演繹されてくるようになったのはすばらしい事であると思う。
•  量子力学によってすべてのミクロな現象も解析できるように
なったが計算量の多さからできる事は限られていることが分
かった。
•  単一の微小管の性質がどれほど線毛に影響を与えているか
は今後の研究によって明らかになると思われる。
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