分子モーター

分子モーターは、生物の運動に不可欠な天然（生物学的）または人工の分子機械です。一般的に、モーターは、ある形態のエネルギーを消費し、それを運動または機械的な仕事に変換する装置です。たとえば、多くのタンパク質ベースの分子モーターは、 ATPの加水分解によって放出される化学的自由エネルギーを利用して機械的な仕事を行います。^{[ 1 ]}エネルギー効率の点では、このタイプのモーターは現在利用可能な人工モーターよりも優れている可能性があります。分子モーターとマクロモーターの重要な違いの1つは、分子モーターは熱浴、つまり熱雑音による変動が顕著な環境で動作することです。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

生物学的に重要な分子モーターの例をいくつか挙げます。^{[ 5 ]}

• 細胞骨格モーター
  • ミオシンは、筋肉の収縮、細胞内物質の輸送、および細胞張力の発生に関与している。
  • キネシンは、順行性輸送において、細胞内の貨物を核から離れた方向へ微小管に沿って移動させる。
  • ダイニンは、繊毛や鞭毛の軸糸運動を引き起こすだけでなく、逆行輸送によって微小管に沿って細胞核に向かって物質を輸送する。
• 重合モーター
  • アクチン重合は力を発生させ、推進力として利用できる。ATPが利用される。
  • GTPを用いた微小管重合。
  • ダイナミンは、クラスリン芽を細胞膜から分離する役割を担っている。GTPが利用される。
• 回転モーター：
  • F _o F ₁ -ATP合成酵素ファミリーのタンパク質は、ATPの化学エネルギーを膜を横切るプロトン勾配の電気化学ポテンシャルエネルギーに変換するか、あるいはその逆を行います。化学反応の触媒作用とプロトンの移動は、複合体の一部の機械的な回転によって互いに連動しています。これは、ミトコンドリアや葉緑体でのATP合成、および液胞膜を横切るプロトンのポンプ作用に関与しています。^{[ 6 ]}
  • 大腸菌をはじめとする細菌の遊泳や回転運動を担う細菌鞭毛は、回転モーターによって駆動される硬質のプロペラとして機能する。このモーターは、膜を横切るプロトンの流れによって駆動され、ATP合成酵素のF _oモーターと同様のメカニズムが用いられている可能性がある。

• 核酸モーター：
  • RNAポリメラーゼはDNAテンプレートからRNAを転写する。^{[ 8 ]}
  • DNAポリメラーゼは一本鎖DNAを二本鎖DNAに変換する。^{[ 9 ]}
  • ヘリカーゼは、転写または複製に先立って核酸の二本鎖を分離する。この過程でATPが利用される。
  • トポイソメラーゼは細胞内のDNAの超らせん構造を減少させる。ATPが利用される。
  • RSCおよびSWI/SNF複合体は、真核細胞においてクロマチン構造を再構築する。この過程でATPが利用される。
  • 真核細胞における染色体凝縮に関与するSMCタンパク質。^{[ 10 ]}
  • ウイルスのDNAパッケージングモーターは、複製サイクルの一部としてウイルスのゲノムDNAをカプシドに注入し、非常に密に詰め込みます。 ^{[ 11 ]}タンパク質がDNAをカプシドに押し込むのに必要な力をどのように生成するかを説明するために、いくつかのモデルが提案されています。別の提案は、他のすべての生物学的モーターとは対照的に、力はタンパク質によって直接生成されるのではなく、DNA自体によって生成されるというものです。^{[ 12 ]}このモデルでは、ATP加水分解を使用して、DNAを交互に脱水および再水和するタンパク質のコンフォメーション変化を駆動し、B-DNAからA-DNA、そして再びB-DNAへと周期的に駆動します。A-DNAはB-DNAより23%短く、DNAの収縮/膨張サイクルは、DNAをカプシドに押し込む前進運動を生成するために、タンパク質-DNAグリップ/リリースサイクルと連動しています。
• 酵素モーター: 以下の酵素は、触媒基質の存在下で拡散速度が速くなることが示されており、これは拡散促進として知られています。また、基質の勾配内で方向性を持って移動することも示されており、これは走化性として知られています。拡散と走化性のメカニズムについては、まだ議論が続いています。考えられるメカニズムには、溶質浮力、泳動、または有効拡散率の変化につながる構造変化^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 、および速度論的非対称性[ 16 ]}が含まれます。
  • カタラーゼ
  • ウレアーゼ
  • アルドラーゼ
  • ヘキソキナーゼ
  • ホスホグルコースイソメラーゼ
  • ホスホフルクトキナーゼ
  • グルコースオキシダーゼ

最近の研究では、ヘキソキナーゼやグルコースオキシダーゼなどの特定の酵素が触媒作用中に凝集または断片化することも示されています。これにより、流体力学的サイズが変化し、拡散測定の促進に影響を与える可能性があります。^{[ 17 ]}

• 化学者によって、回転を生み出し、トルクを発生させる可能性のある合成分子モーターが作られました。^{[ 18 ]}

細胞全体にオルガネラを輸送する分子モーターには、大きく分けて2つのファミリーがあります。これらのファミリーには、ダイニンファミリーとキネシンファミリーが含まれます。どちらも構造が大きく異なり、オルガネラを細胞内で移動させるという同様の目的を達成する方法も異なります。これらの距離はわずか数マイクロメートルですが、すべて微小管を使用して事前に計画されています。^{[ 19 ]}

• キネシン–これらの分子モーターは常に細胞の正極に向かって移動する  
  • ATPをADPに変換する過程でATP加水分解を利用する。
    • このプロセスは…から構成されます。
      • モーターの「足」はATPを使って結合し、「足」は一歩進み、その後ADPが解離する。これが目的地に到達するまで繰り返される。
  • キネシンファミリーは、多種多様なモータータンパク質から構成される。
    • キネシン-1（従来型）
    • キネシン-2（ヘテロ三量体）
    • キネシン-5（双極性障害）
    • キネシン-13
• ダイニン–これらの分子モーターは常に細胞の負の端に向かって移動する  
  • ATPをADPに変換する過程でATP加水分解を利用する。
  • キネシンとは異なり、ダイニンは異なる構造をしており、そのため異なる運動方法を必要とする。
    • これらの方法の一つに、モータータンパク質が微小管に沿って「這うように」移動して目的の場所に到達することを可能にするパワーストロークがある。
  • ダイニンの構造は
    • 茎を含む
      • ダイナクチンに結合する領域
      • ダイナクチン結合領域に結合する中間鎖／軽鎖
    • 先に
    • 茎
      • 微小管に結合するドメインを持つ

これらの分子モーターは、微小管の経路に沿って移動する傾向がある。これはおそらく、微小管が中心体から伸びて細胞全体を取り囲んでいるためである。これにより、細胞全体と細胞小器官へと続く経路からなる「レールシステム」が形成される。

分子モーターの運動は確率的であるため、分子モーターはフォッカー・プランク方程式やモンテカルロ法を用いてモデル化されることが多い。これらの理論モデルは、分子モーターをブラウン運動モーターとして扱う場合に特に有用である。

実験生物物理学では、分子モーターの活性は、以下のような様々な実験手法を用いて観察される。

• 蛍光法：蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）、蛍光相関分光法（FCS）、全反射蛍光法（TIRF）。
• 磁気ピンセットは、長いDNA断片上で動作するモーターの分析にも役立つ。
• 中性子スピンエコー分光法を用いることで、ナノ秒スケールでの動きを観測することができる。
• 光ピンセット（文脈上、分子ピンセットとは混同しないように）は、ばね定数が低いため、分子モーターの研究に適している。
• 散乱技術：暗視野顕微鏡または干渉散乱顕微鏡（iSCAT）に基づく単一粒子追跡
• 単一分子電気生理学は、個々のイオンチャネルの動態を測定するために使用できる。

他にも多くの技術が用いられている。新たな技術や手法が開発されるにつれ、天然に存在する分子モーターに関する知識が、合成ナノスケールモーターの構築に役立つことが期待される。

近年、化学者やナノテクノロジーに携わる人々は、分子モーターを新たに 創り出す可能性を探り始めている。 ^{[ 20 ]}これらの合成分子モーターは現在、研究室での使用に限定される多くの制約を抱えている。しかし、ナノスケールでの化学と物理学の理解が深まるにつれて、これらの制約の多くは克服される可能性がある。ナノスケールのダイナミクスを理解するための一歩は、グラブ触媒システムにおける触媒拡散の研究によって踏み出された。^{[ 21 ]}ナノカーのような他のシステムは、厳密にはモーターではないが、合成ナノスケールモーターに向けた最近の取り組みを示す例でもある。

他の分子もモーターとして機能することがあります。色素分子は、疎水性相互作用の有利な作用により、ポリマー溶液の勾配内で方向性を持って移動することができます。^{[ 22 ]}また、最近の研究では、色素分子、硬質および軟質のコロイド粒子が、排除体積効果によりポリマー溶液の勾配内を移動できることが示されています。^{[ 23 ]}

• ブラウン運動
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• モータータンパク質
• ナノモーター
• タンパク質の動態
• 合成分子モーター

• MBInfo - 分子モーター活性
• MBInfo - 細胞骨格依存性 MBInfo - 細胞内輸送
• Cymobase - 細胞骨格タンパク質およびモータータンパク質の配列情報データベース
• ジョナサン・ハワード（2001）、『モータータンパク質と細胞骨格のメカニズム』。ISBN 9780878933334