Synthetic biology of self-replicating systems: Growth and evolution far from equilibrium

• Project/Area Number: 17KT0025
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 特設分野
• Research Field: Constructive Systems Biology
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 前多 裕介 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30557210)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 亀井 謙一郎 京都大学, 高等研究院, 准教授 (00588262)
• Project Period (FY): 2017-07-18 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2019: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2018: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2017: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 生命の起源 / 化学進化 / 非平衡統計力学 / ランダムネス / 実験 / 数値計算 / 自己複製 / 自己複製系 / 進化 / 統計力学 / 物性実験 / 合成生物学

Outline of Annual Research Achievements

DNAは遺伝情報を蓄積する分子であり、自己複製する生命の根幹である。単純な分子から触媒や高エネルギー反応を介して複雑な分子が段階的に合成されたとする化学進化説が生命の起源に関わる仮説として知られている。しかし、温度・濃度一様の平衡系では、分子の重合反応やDNAが重合する反応（ライゲーション）はランダムに起こる。すると、幾重も反応が起こったDNAの濃度は指数関数的に減衰し、遺伝情報を保持する分子は極めて低い確率でしか現れない。これは化学進化の濃度問題とよばれる未解決課題である。
濃度問題解決の糸口は、エネルギーや物質の流入出が繰り返す非平衡系にある。本研究では、巨大な温度勾配が存在する非平衡環境を実験室内で構築し、極限環境下での化学反応とその統計的性質を明らかにした。まず、耐熱的ライゲーションが進行するin vitro熱水系を実験室内に構築した。次に、ライゲーションして成長したDNA分子の濃度・長さ・配列を同時計測する新手法を、リアルタイムPCR法をもとに考案し、その実証に成功した。これらの手法を用いて、以下の結果を得た。
温度勾配下のDNAライゲーション反応では、成長したDNAの濃度は長さに対して指数関数的に減少することがわかった。この結果は、反応はランダムであるものの反応効率は高まるため、長大な分子の成長を促進することを意味する。さらに、共存分子となる高分子を添加すると、DNA濃度は長さに対してベキ関数的な減衰を示し、長大な分子の成長が選択的に促進されることがわかった。これは非ランダムなDNA重合反応と選択的な遺伝情報成長が起こっていることを意味している。以上の結果から、分子の成長に伴う指数関数的減衰は、非平衡環境に置ける共存分子を介した非ランダムな反応によって克服しうることを実験的・理論的に明らかにした。これらの研究内容は論文投稿準備中である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミネソタ大学(米国)
• [Journal Article] Anomalous Scaling of Gene Expression in Confined Cell-Free Reactions (2018)
  • Author(s): Ryota Sakamoto, Vincent Noireaux, Yusuke T. Maeda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 7364-7364
  • DOI: 10.1038/s41598-018-25532-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermal molecular focusing: tunable cross effect of phoresis and light-driven hydrodynamic focusing (2018)
  • Author(s): Tatsuya Fukuyama, Sho Nakama, Yusuke T. Maeda
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 14 Issue: 26 Pages: 5519-5524
  • DOI: 10.1039/c8sm00754c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] セルフリー合成生物学 (2018)
  • Author(s): 前多 裕介, 坂本 遼太, 白木 天晴
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 69 Pages: 269-274
• [Journal Article] セルフリー合成生物学 (2018)
  • Author(s): 前多裕介, 坂本遼太, 白木天晴
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 69(3)
• [Presentation] 遺伝情報分子のライゲーションと選択的な成長：Rich-get-richerモデル (2018)
  • Author(s): 白木天晴, 亀井謙一郎, 前多裕介
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] Molecular origin of selective DNA ligation and information growth: The rich-get-richer model (2018)
  • Author(s): 白木天晴, 亀井謙一郎, 前多裕介
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Cell‐free gene expression in picolitremicro‐reactors sealed by a biological membrane (2018)
  • Author(s): Ziane Izri, Ryota Sakamoto, Vincnet Noireaux, Yusuke T. Maeda
  • Organizer: The 79th Okazaki Conference: Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cell‐free gene expression in picolitre micro‐reactors sealed by a biological membrane (2018)
  • Author(s): Ziane Izri, Ryota Sakamoto, Vincnet Noireaux, Yusuke T. Maeda
  • Organizer: Designer Soft Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] セルフリー遺伝子発現の幾何的制御とスケーリング則 (2018)
  • Author(s): 坂本遼太, V. Noireaux, 前多裕介
  • Organizer: 第73回日本物理学会年会
• [Presentation] 生命の成り立ちを極限環境と物理学で捉える (2018)
  • Author(s): 前多裕介
  • Organizer: KEIO astrobiology camp 2018
  • Invited
• [Presentation] Artificial cells-on-a-chip: Cell-free gene expression in microwells (2017)
  • Author(s): Z. Izri, 坂本遼太, V. Noireaux, 前多裕介
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Artificial cells-on-a-chip: Cell-free gene expression in microwells (2017)
  • Author(s): Z. Izri, 坂本遼太, V. Noireaux, 前多裕介
  • Organizer: 細胞を創る研究会10.0
• [Presentation] {Artificial-cells}-on-a-Chip: Cell-Free Gene Expression in Microwells with Various geometries (2017)
  • Author(s): Z. Izri, 坂本遼太, V. Noireaux, 前多裕介
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
• [Presentation] Enhanced Synthesis of Genetic Polymer Mediated by Non-random Ligation in a Temperature Gradient (2017)
  • Author(s): 白木天晴, 前多裕介
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017