新国際基盤生命学特論３

　生物運動システム（筋収縮系、細胞分裂系、細胞内物質輸送系）を取り上げ、細胞機能の基礎にある物理はどのようなものか、力と熱（温度）といった物理的因子はどのように細胞機能に関与しているか、分子モーターの一分子力学から、線維状重合体（アクチン・微小管）や超分子集合体（筋原線維、紡錘体）、そして細胞に至る構造と機能の階層性の静的・動的特性に着目して論じる。最近の人工細胞系についても言及する。
The main subject of this lecture is a bio-motile system, i.e., the contractile systems of muscle and cell division, and a transport system within a cell. What kind of physical basis is operating in cellular functions, and how the physical parameters such as force and heat (temperature) are involved in cellular functions etc. will be described. I will discuss the static and dynamic characteristics of hierarchical structures from a single molecular mechanics on molecular motors up to dynamics of linear polymers (an actin filament and a microtubule), supra-molecular assemblies (myofibrils and meiotic spindles) and cells. Finally, I will mention an artificial cell system.

１． 序論　生物物理とは
　 生物と物理：物理法則による生物支配、生物は物理法則をどのように利用しているか
生物物理学とはどのような学問か、古典的生物物理学
　 生体機能を担うもの：タンパク質分子機械

２， アクチンフィラメントや微小管の重合・脱重合ダイナミクス
　 重合の平衡論、一方向重合成長
　 重合・脱重合に伴う長さ揺らぎ（拡散過程）
　 トレッドミル過程、Arp2/3存在下での枝形成、調節タンパク質の作用

３． 筋収縮系分子モーター
　 筋分子モーターとしてのアクトミオシン系、in vitro 滑り運動系
　 アクチンフィラメント回転滑り運動と超ラセン形成
　 温度パルス顕微鏡法
　 アクチン・ミオシン結合の１分子結合力の顕微計測
　 　タンパク質間結合・解離の物理（力学、熱力学）

４． 非筋細胞分子モーター（プロセッシブ分子モーター：１分子系）
　 ナノメートル・ピコニュートン顕微解析
　 キネシン・微小管系（単頭・双頭結合変換、力と酵素活性、分子内シンクロ）
　 ミオシンV・アクチン系（高時間分解能での１分子ステップ解析）（回転モーター）

５． 筋収縮系
　Bio-nanomuscle（A帯滑り運動系）、 筋収縮系の解体と再構築
　 自励振動（SPOC）現象と理論、非 プロセッシブ分子モーター（多分子系）
（分子間シンク ロ、外力による制御、心拍機能との関係）

６． 高次生体構造

６．１ 　細胞分裂系
　 細胞の働き、細胞分裂（染色体分裂、細胞質分裂）、細胞運動、メカノバイオロジー
　 紡錘体のミクロ力学

６．２ 　細胞熱力学
　 細胞内温度分布、細胞機能の熱励起

1. Introduction: What is biophysics?
Relationship between biology and physics: How does a living thing make
use of physical principles?
What kind of science biophysics is? Classical biophysics
Materials that bear the biological functions: Protein molecular machines

２．Polymerization-depolymerization dynamics of actin filaments and
microtubules
Equilibrium theory of polymerization, uni-directional polymerization of
actin filaments
Length fluctuation of actin filaments accompanied by polymerization-
depolymerization dynamics (analogous to diffusion process)
Treadmilling process, Branch formation in the presence of Arp2/3, Effect
of regulatory proteins

3. Molecular motors in the contractile system of muscle
Actomyosin system as a muscle motor, In vitro motility assay system
Rotational sliding movement and super-helix formation of actin filaments
Temperature pulse microscopy
Microscopic measurements of single-molecular binding force on acto-
myosin binding
Physics (mechanics and thermodynamics) of attachment and detachment of
protein-protein binding

4. Molecular motors in non-muscle cells (processive motors: a single
molecule system)
Nano-meter/pico-newton microscopic analysis
Kinesin-microtubule system (transition between single to double-headed
bindings, force and enzymatic activity, intra-molecular synchronization)
MyosinV/actin system (microscopic analysis of a stepwise motion at high
time-resolution)(rotational motor)

5. Contractile system of muscle
Bio-nanomuscle (A-band motility assay system), Destruction and
reconstruction of the contractile system of muscle
Phenomena and theory on the SPontaneous Oscillatory Contraction (SPOC)
observed in the contractile system of skeletal and cardiac muscles
Non-processive molecular motors (multi-molecular system)
Intermolecular synchronization, Regulation by external force,
Relationship with heartbeat

6. Higher-ordered biological structure
6.1 Cell division system
Cellular functions, Cell division(chromosome segregation,
cytokinesis),Cell movement, Mechanobiology, Micro-mechanics of meiotic
spindle
6.2 Cellular thermodynamics
Temperature distribution within a cell,Thermal activation of cellular
functions