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Elucidation of physics underlying spatiotemporal pattern formation in cell size spaces

Research Project

Project/Area Number 20H01875
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Fujiwara Kei  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20580989)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 義永 那津人  東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (90548835)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Keywords生物物理 / 合成生物学 / ソフトマター物理学 / 人工細胞 / 反応拡散系 / ソフトマター / 細胞サイズ空間 / 細胞極性 / 時空間パターン
Outline of Research at the Start

細胞内反応拡散波は、非線形波が細胞サイズの閉鎖空間を移動する点に特徴があるが、微小サイズと閉鎖性ゆえに実験系の確立が困難であった。しかし、申請者らが確立した「人工細胞内で細胞内反応拡散波を発生させる系」により実験と理論を対応させた研究が展開可能となっている。そこで本研究ではこの系を利用し、細胞の時空間構造の物理や、細胞サイズ空間で創発される特異な現象の理解から、生命の細胞サイズの空間における時空間パターン形成原理を導く。

Outline of Final Research Achievements

Nonlinear waves generated by reaction-diffusion coupling (reaction-diffusion wave) is a mechanism underlying molecular placement within cell. However, analysis of reaction-diffusion waves in cell-size space is challenging due to its complexity, and therefore, verification by model experiments was needed. In this study, we used a system that generates reaction-diffusion waves in artificial cells and investigated the characteristics and principles of reaction-diffusion waves in cell-size space. Through the 3-year research, We elucidated the characteristics of the reaction-diffusion wave adjusting its shape according to the spatial size and the mechanism controlling the motion of the wave.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果により、従来大きな空間での振る舞いのみが解析されてきた反応拡散波が、細胞のような小さな空間でどのような性質を示すか、が導かれた。この成果は生物の細胞において分子の配置がどのように決定するか、という理学的な知見だけでなく、細胞サイズの空間をどのように制御するかという材料科学・工学的に重要な知見ももたらす。将来的にはナノ・マイクロ空間における自在な分子配置につながり、生命から医薬・化学品の創成原理まで広く波及することが期待される。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Mode selection mechanism in traveling and standing waves revealed by Min wave reconstituted in artificial cells2022

    • Author(s)
      Takada Sakura、Yoshinaga Natsuhiko、Doi Nobuhide、Fujiwara Kei
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Issue: 23

    • DOI

      10.1126/sciadv.abm8460

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controlling the Periodicity of a Reaction-Diffusion Wave in Artificial Cells by a Two-Way Energy Supplier2022

    • Author(s)
      Takada Sakura、Yoshinaga Natsuhiko、Doi Nobuhide、Fujiwara Kei
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 16 Issue: 10 Pages: 16853-16861

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c06756

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Conformational equilibrium of MinE regulates the allowable concentration ranges of a protein wave for cell division2020

    • Author(s)
      Shunshi Kohyama, Kei Fujiwara, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi
    • Journal Title

      Nanoscale

      Volume: 12 Issue: 22 Pages: 11960-11970

    • DOI

      10.1039/d0nr00242a

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 再構成研究:Min 波や解糖系はdATP でも 動く2022

    • Author(s)
      髙田咲良、佐藤岳、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第 18 回 21 世紀大腸菌研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内反応拡散波の人工細胞再構成系で探る細胞空間の時空間パターン形成原理2022

    • Author(s)
      藤原慶
    • Organizer
      定量生物学の会 第10回年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Tuning dynamics and period of a reaction-diffusion wave for cell division in artificial cells2022

    • Author(s)
      Sakura Takada, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi, Kei Fujiwara
    • Organizer
      第60 回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工細胞内再構成系で探る生化学システムの細胞サイズ効果2022

    • Author(s)
      藤原慶
    • Organizer
      HiHA (広島大学健康長寿研究拠点)ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Shaping dynamic and static patterns in artificial cells by modulating reaction-diffusion coupling of Min system2022

    • Author(s)
      Sakura Takada, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi, Kei Fujiwara
    • Organizer
      Active Matter Workshop 2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Reaction-diffusion wave of Min proteins reconstituted in artificial cells by defined elements2021

    • Author(s)
      Kei Fujiwara
    • Organizer
      Pacifichem2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞内の時空間制御とMinシステムが細胞サイズの空間で創発するタンパク質の波とその相の分子メカニズム2021

    • Author(s)
      藤原慶、義永那津人、光山隼史、吉田葵、西川早紀、土居信英
    • Organizer
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Min 波の極間振動の人工細胞内再構成2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第17回大腸菌研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Robustness and plasticity of spatiotemporal patterning by a reaction-diffusion wave entrapped in protocells2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第59回生物物理学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内時空間パターンを司るMin波が示す空間サイズの制御とその原理2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞サイズ空間において反応拡散波が示す形状安定性の原理2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第20回関東ソフトマター研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工細胞内の時空間パターンを操る:極間振動波と移動波の制御2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第5回分子ロボティクス年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 反応拡散共役により現れるMin波の示す空間サイズ相似性2020

    • Author(s)
      高田咲良、光山隼史、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第19回関東ソフトマター研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内時空間パターンを制御するMin波が示す空間サイズ相似性2020

    • Author(s)
      高田咲良、光山隼史、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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