本研究は，生物の自己組織的な秩序形成のメカニズムを理解するために，筋収 縮を担うタンパク質であるアクチンとミオシンとの相互作用によるアクチン繊維 の滑り運動を生じるメカニズムを明らかにすることを目的とした．アクチン繊維 の滑り運動メカニズムを明らかにするために，アクチン繊維とミオシンとの作用 の関係性，および滑り運動しているアクチン繊維の形状変化を調べた．その結果 に基いてアクチン繊維の滑り運動中に見られる繊維内部の屈曲の伝播をモデル化 し，アクチン繊維の屈曲伝播に必要な要件を明らかにした．
● アクチン繊維の三次元位置を計測するシステムの開発
再構成運動系で滑り運動するアクチン繊維について，ガラス面に対して垂直方 向である高さ方向を含む三次元位置を計測するシステムを開発した．これは，全 反射型蛍光顕微鏡による観察手法の工夫と画像処理技術との組み合わせによって 実現された．全反射型蛍光顕微鏡では，蛍光物質の輝度がガラス面から離れるに したがって減衰するため，まだら状に蛍光標識したアクチン繊維の蛍光標識部位 の輝度はガラス面から離れるにしたがって低下する．この特性を利用することで，
蛍光輝度から高さを推定した．
このアクチン繊維の三次元位置の計測方法は，アクチン繊維の滑り運動のみな らずダイニン-チューブリン系など他のメカノケミカルシステムの運動計測にも応 用することができる．さらには，細胞内部でのタンパク質の位置変化を詳細に調 べることが可能である．また，現在の測定システムでは計測の制約等から比較的 蛍光輝度の低い蛍光物質を利用している．より蛍光輝度の高い蛍光物質を利用す ることで，現在よりも微小な領域の変化を高精度で捉えることが可能となる．そ
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のため，生物物理学だけでなく分子生物学や細胞生物学など生物学の諸分野で新 たな知見を得るための測定法の一つとなり得る．
● アクチン繊維の形状変化に対する新しい評価法の導入
滑り運動しているアクチン繊維の骨格形状を画像解析技術を利用してサブミク ロンオーダーで推定した．時間と共に変化するアクチン繊維の骨格形状をキモグ ラフを用いて可視化した．これにより，アクチン繊維に沿って屈曲が伝播する様 子を明らかにした．
現在のアクチン繊維の骨格形状の解像度は，顕微鏡像の解像度と同程度の40×
40 nm程度である．蛍光標識アクチン繊維はアクチン繊維の短軸方向に正規分布
を持ち，正規分布でのフィッティングを行うことで5 nm程度の分解能でアクチン 繊維の骨格形状を解析可能となる．そのような画像解析は容易に行うことが可能 であるが，本研究で使用した蛍光顕微鏡のフィルタユニットでは蛍光標識アクチ ン繊維の輝度分布が滑らかな画像を得ることは難しい．そのため，蛍光顕微鏡の フィルタ構成を工夫することで，解析可能な顕微鏡像を得る必要がある．
この評価方法もまた，三次元位置の計測方法と同様にダイニン-チューブリン系 などのメカノケミカルシステムの運動評価にも応用することができる．また，鞭 毛や繊毛などの繊維状構造物の形状評価にも応用することが可能である．そのた め，生物学の諸分野で広く利用することが可能である．
● アクチン繊維の滑り運動調節
再構成運動系で滑り運動するアクチン繊維の高さの変化から，アクチン繊維が ミオシンと間欠的に作用することを明らかにした．また，そのアクチン繊維とミ オシンとの作用頻度がミオシンのATP加水分解と共役するものの，アクチン繊維 の移動距離がミオシンの可動域よりも大きいことを示した．
また，滑り運動しているアクチン繊維で屈曲の伝播が生じていることを示した．
さらに，屈曲の伝播パターンが多様かつ複雑な様態を示した．それらの結果に基 づいて，アクチン繊維を一次元弾性体モデルで近似し，アクチン繊維の屈曲の伝
播が自己組織的に発生することを示した．また，その条件が，アクチン繊維とミ オシンとの作用が間欠的であり不応期があること，およびアクチン繊維が非線形 性と柔軟性を有することであることを明らかにした．
これらの結果に基いて，アクチン繊維の滑り運動メカニズムについてひずみ伝 播モデルを提案した．このひずみ伝播モデルは，ATP加水分解に伴うミオシンの 構造ひずみがアクチン繊維とミオシンとの作用によりアクチン繊維の構造ひずみ に移行し，アクチン繊維の構造ひずみの解消過程で滑り運動が生じるとするもの である．これは，アクチン繊維の滑り運動メカニズムとミオシンのATP加水分解 メカニズムとを区別し，アクチン繊維の滑り運動の詳細な情報から得られたモデ ルである．また，複雑系科学の分野で用いられる構成論的手法を用いることで，ア クチン繊維の滑り運動に必要な要件を抽出することができた．
さらに，このアクチン繊維のひずみ伝播モデルとアクチン繊維の滑り運動の特 性から，アクチン繊維の滑り運動において循環システムが内包されていることを 示唆した．この循環システムは，アクチン繊維とミオシンとの素反応によって生 じるアクチン繊維の内部の不安定化，その不安定化のアクチン繊維の近傍領域へ の伝播による繊維内の秩序形成，その秩序形成に伴う運動によって再び生じるア クチン繊維とミオシンとの素反応の一連の循環過程を持つ．さらに，その循環シ ステムにアクチン繊維内部で繊維情報がフィードバックされる過程を含むことが 示唆された．このようなアクチン繊維の滑り運動の特性は，生物のような自由度 と可制御性を備えた情報処理システムの構築に自己循環システムが有効となり得 る可能性を示唆する．
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謝辞
本論文は，著者が独立行政法人理化学研究所基幹研究所分子生命情報科学特別 研究ユニット在職中，および公立はこだて未来大学大学院システム情報科学研究 科システム情報科学専攻博士(後期)課程在学中の研究成果をまとめたものである．
これらの研究成果は，同専攻教授上野嘉夫先生，北海道大学大学院情報科学研 究科複合情報学専攻複雑系工学講座調和系工学研究室教授鈴木恵二先生，公立は こだて未来大学名誉教授塚原保夫先生，同大システム情報科学研究科システム情 報科学専攻准教授櫻沢繁先生のご指導の下に遂行された．同大学長中島秀之先生，
同専攻教授小西修先生，同専攻教授三木信弘先生，同専攻教授中垣俊之先生には，
博士論文の副査としてご助言を戴いた．独立行政法人理化学研究所基幹研究所副 所長長田義仁先生には，研究をサポートして戴いた．長岡技術科学大学工学研究 科生物系准教授本多元先生には，実験に関わる事柄や研究の指針についてご助言 を戴いた．本研究第5章のスライドガラスの平面性の計測では，金沢大学理工学研 究域数物科学系教授安藤敏夫先生に計測装置を提供して戴くと共に計測をサポー トして戴いた．
本研究の一部は，日本学術振興会科学研究費(特別研究員No.18・7017)によった．
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