Movie Ａ．モーター蛋白質
生体内では様々な運動が見られます。筋肉の収縮、細胞核の分裂、細胞質分裂、軸索内における物質輸送、細胞内顆粒の輸送、鞭毛や繊毛の運動などなど、運動の形態は様々です。これらの運動を起こしているのがモーター蛋白質です。現在までの知見では、以下の５つの系が存在することが分かっています。
1)Actin-Myosin系、 2)Microtubule-Kinesin系、 3)Microtubule-Dynein系、 4)Flagella-Rotary Motor系 5)Fo-F1 Rotary Motor系
4)、5)のRotary Motor系は特殊な細胞或いは細胞内器官にしか存在しませんが、1)、2)、3)の系は全ての細胞に存在すると考えられています。Actinはフィラメント状に、Tubulinはチューブ状に重合しかなり長い繊維を形成します。この繊維にMyosin、Kinesin或いはDyneinが結合し、ATPの加水分解によって得たエネルギーを使って力を発生し、仕事をします。
これらモーター蛋白質の大きさはおおよそ10nm程度しかありません。また、ATP１分子の加水分解で得られるエネルギーの大きさは20kT （T： 室温）しかありません。それにも拘わらず高いエネルギー変換効率を実現しています。どのような物理的メカニズムが働いているのでしょうか？それを解明することを目指して、様々なアプローチで研究しています。
(a) MyosinV
Myosinはあらゆる細胞に存在しますが、全く同じ蛋白質ではありません。系統発生による分類により現在１７クラスのミオシンが存在することが分かっています。それらのうち、クラスＶは細胞内で運搬役として働いていることがいくつかの研究室で既に調べられています。最近当研究室で、ひよこの脳から抽出精製したMyosinVが１分子でアクチンフィラメント上を連続的に滑ることを明らかにしました。このMyosinVの性質（プロセッシビティ）はモーター蛋白質のエネルギー変換機構の研究にとても役に立つはずです。運動している様子とATPを加水分解している様子を１分子レベルで同時観察することが可能ですので、分解と運動のタイミング、1ATP当たりの運動距離などを計測できるに違いありません。これらの情報はエネルギー変換の基本的ルールを与えることになる
当研究室では最近高速原子間力顕微鏡を開発しました。これを使えば水溶液中で機能を営んでいるMyosinVのナノメーター世界を映像として捉えることができそうです。電子顕微鏡で撮った静止画像を適当に並べて動画像を作った研究者がいますが、そのようなものを真実であるかのように発表するのは正しいとは思われません。動的振る舞いを直接見ることが大事です。
(b) Myosin II
17クラスあるミオシンの内でMyosin IIは最も古くから研究されています。Myosin IIは筋肉に多く存在します。いろいろな種類の筋肉がありますが、それらには種類の異なるMyosin IIが存在します。筋肉の種類によってその短縮速度や発生張力の大きさは異なります。筋肉から抽出・精製したActin、Myosin IIを使って光学顕微鏡下で運動を観察することができます。カバーガラスに固定されたMyosin IIの上を蛍光染色したActin filamentsが滑る様子を観察できます（in vitro motility assay）。このアッセイを使うと溶液条件を自由に変えることができます。同一のMyosin II、Actinでも条件を変えるとActin Filamentsの運動速度は変わります。運動速度や発生張力の大きさがどのような仕組みで変わるのかについては40年以上にわたる長い論争があります。すなわち、ATPの加水分解反応と運動・力発生という力学的な現象とがどのように結びついているのかという基本的な問題です。最近、私たちの研究室でこの問題に対する見事な答えを見出すことができました。
滑り運動速度、発生張力、最大ATP分解速度、最大ATP分解速度の半分を与えるActin濃度（Km）の間には極めてシンプルな定量的な関係が存在することが明らかになりました。単純に考えると、運動速度も発生張力も最大ATP分解速度に比例するように思われますが、そうではありませんでした。最大ATP分解速度の1/2乗に比例するのです。他方、KmはActinとMyosin IIとの親和性の逆数を表す量ですが、滑り速度はKmの1/2乗に比例し、逆に発生張力はKmの1/2乗の逆数に比例します。これら単純な定量的関係は私たちのデータばかりでなく、世界のいくつかの研究室から出されたデータと見事に一致しました。この定量的な関係は、或るモデルに基づいて得られたものですが、その詳細は論文（Biophys. J. 80 379-397 (2001)）を見て下さい。
この研究では未だやり残している問題があります。上記定量関係は滑り運動に対して負荷が比較的少ないところで成り立ちますが、負荷が大きくなって運動速度が最大速度の1/3以下になるようなところでは成立しません。負荷が大きくなるとATP分解のキネティクスが変わってしまうようです。このことをどのようにモデルに組み入れるかは今後の問題ですが、負荷に依存してキネティクスがどのように変わるかを実験的に調べることも重要です。これに関するデータは、実験が難しいためほとんどありません。