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

Research Project

Project/Area Number 17KT0025
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section特設分野
Research Field Constructive Systems Biology
Research InstitutionKyushu 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 *help
¥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。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] ミネソタ大学(米国)

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Journal Article] Anomalous Scaling of Gene Expression in Confined Cell-Free Reactions2018

    • 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

    • Related Report
      2018 Annual Research Report 2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermal molecular focusing: tunable cross effect of phoresis and light-driven hydrodynamic focusing2018

    • Author(s)
      Tatsuya Fukuyama, Sho Nakama, Yusuke T. Maeda
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 14 Issue: 26 Pages: 5519-5524

    • DOI

      10.1039/c8sm00754c

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • 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

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [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)

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      2017 Research-status Report
  • [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
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  • [Presentation] Molecular origin of selective DNA ligation and information growth: The rich-get-richer model2018

    • 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
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Cell‐free gene expression in picolitremicro‐reactors sealed by a biological membrane2018

    • Author(s)
      Ziane Izri, Ryota Sakamoto, Vincnet Noireaux, Yusuke T. Maeda
    • Organizer
      The 79th Okazaki Conference: Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cell‐free gene expression in picolitre micro‐reactors sealed by a biological membrane2018

    • Author(s)
      Ziane Izri, Ryota Sakamoto, Vincnet Noireaux, Yusuke T. Maeda
    • Organizer
      Designer Soft Matter
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      2018 Annual Research Report
    • 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
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  • [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
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      2017 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Artificial cells-on-a-chip: Cell-free gene expression in microwells2017

    • 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
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      2017 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Artificial cells-on-a-chip: Cell-free gene expression in microwells2017

    • 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
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      2017 Research-status Report
  • [Presentation] {Artificial-cells}-on-a-Chip: Cell-Free Gene Expression in Microwells with Various geometries2017

    • 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
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      2017 Research-status Report
  • [Presentation] Enhanced Synthesis of Genetic Polymer Mediated by Non-random Ligation in a Temperature Gradient2017

    • Author(s)
      白木天晴, 前多裕介
    • Organizer
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
    • Related Report
      2017 Research-status Report

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Published: 2017-07-21   Modified: 2022-06-07  

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