「生体小宇宙のなぞにせまる 」 ー生物物理学は生命と物理の架け橋－　　物理学専攻　樋口秀男

大宇宙から産まれた生命にその痕跡が残されている。 宇宙元素の割合≒人体元素の割合 超新星爆発が H 10 He O C N 8 人体 P Ne Ar Ca 重元素を作る Mg Si S Fe 元素存在の対数 6 Co Na CrMn 宇宙 Al Ti 4 P Cl K Ni F Cu Pb B Zn 2 V Li Sc W Be １ 10 100 原子番号 高橋「宇宙、物質、生命」を参考

人間原理（Anthropic principle） 単なる痕跡でなく、 　　生命は大宇宙の法則を規定している。 人間原理（Anthropic principle） 　この大宇宙は微妙なバランスで人間（知的生命体）を生み出した 。それは、10100分の１の偶然であった。したがって、この大宇宙やそれを支配する物理法則は人間が誕生するのに都合良く作られている。

宇宙との類似性から生体小宇宙と呼ばれている。 また生命の階層性と複雑性は、 　　宇宙との類似性から生体小宇宙と呼ばれている。 人＝小宇宙 生命の階層性と複雑性 器官 細胞 細胞60兆 タンパク質 1兆分子 アミノ酸 300種 20200通り 7万種 20種類

生体小宇宙をなぞを解き明かすにはどうすればよいか？ 素粒子科学のように個々の分子を調べれば何か解るかも････ 　素粒子科学のように個々の分子を調べれば何か解るかも････ タンパク質に蛍光分子を結合すれば1分子が見える！ ウィルソンの霧箱の中の素粒子 蛍光分子 タンパク質 Universe Today “Particle tracks in a cloud chamber ウィルソン1897年

樋口研の研究領域 と言うわけで、樋口研では、1分子の動きや機能を測定して生命の本質を理解しようとしています。 着目する分子 筋肉 細胞分裂 人間 個体：動物 細胞 分子集合体 タンパク質分子 原子・アミノ酸 樋口研の研究領域 着目する分子 筋肉 細胞分裂 細胞運動 細部内輸送 転写 Ｉlove モーター蛋白質

細胞分裂を司るキネシン1分子の運動から説明しよう レーザーでビーズを捕まえ1分子の力と変位を測定 細胞分裂を引き起こす分子 変位(nm) 力（pN) 時間（ms) タンパク質がどのように動くかを理解できた この装置では、ATP濃度の低い遅いステップしか測定できませんでしたので、時間分解能の高い装置に改良しました。ビーズを小さくすれば、水中での粘性抵抗が減り、早く動くことができます。しかし、ビーズを小さくすると、像が暗くなりますので、れーザーを斜めから絞って導入して、散乱光から像を得る暗視野装置を開発しました。ビーズのサイズを従来の１umから200nmに減らしても１０us,２nmの精度がありました。トラップ力の源は、光の屈折時の運動量変化とビーズの誘起双極にかかる力です。 Nishiyama, Mutoh, Inoue,Yanagida & Higuchi Nature Cell Biol 2001

キネシンの運動はFeynmanの爪車モデルで説明できる。 高温 T2 T1 室温Ｔ2 爪車と歯止め DE F 高温Ｔ1 d 10 100 1000 2 4 6 8 前進運動速度 速度 (nm/s) 後方運動速度 力(pN) 全体速度 = 前進速度 – 後退速度 キネシンの運動は熱ゆらぎの要素が大きい

細胞内の分子イメージング 1分子技術を使えば、細胞内の分子の動きを測定できる。 3次元１分子運動 From Bio-vision 3次元１分子運動 それでは、細胞内の変位測定を行います。 　量子ドットを細胞内モーターに直接つけることは困難なので、われわれは、細胞膜に対する抗体に量子ドットを結合して、細胞が抗体を飲み込んで小胞を作る性質を利用しました。この小胞にはモーターたんぱく質が結合しますので、ごらんのように、細胞内を直線的に運動する像が得られました。 　小胞の運動は3次元的なので、2次元の画像解析には限界がありました。そこで、 3次元かつナノメートル精度で蛍光を追跡できる装置を開発しました。 細胞内のモーター蛋白質の運動は、精製したときとまるでちがう!! 細胞内を調べるべし。 20nm

癌細胞の転移過程を観て医学に役立てます。 蛍光粒子 転移中のがんが見えた。 がん誘導膜タンパク質 がんの転移の本質を捉えた！ 0.72 36 それでは、細胞内の変位測定を行います。 　量子ドットを細胞内モーターに直接つけることは困難なので、われわれは、細胞膜に対する抗体に量子ドットを結合して、細胞が抗体を飲み込んで小胞を作る性質を利用しました。この小胞にはモーターたんぱく質が結合しますので、ごらんのように、細胞内を直線的に運動する像が得られました。 　小胞の運動は3次元的なので、2次元の画像解析には限界がありました。そこで、 3次元かつナノメートル精度で蛍光を追跡できる装置を開発しました。 8 820 1000倍も速い 2010年NHK全国版で3回紹介されたよ。知っているかな？

生物学はよくわかってきたみたいですね？ いいえ、生物は複雑すぎて、生物のほんの一部しか明らかになっていません。　ですから大学生である皆さんが、研究するところは、無限にあります。生命の全体像を明らかにするのは、みなさんです。 生物物理学のおもしろさは、 ・生命の本質にせまれること ・多くの分野と交流があること　　　　　　　　　　　　　 物理学 生物学 化学 生物物理学 医学 生化学 生物工学 薬学 農学