Autonomous emergence of artificial cellular model by micro phase separation of macromolecular solution
| Project/Area Number |
21K15057
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Review Section |
Basic Section 43040:Biophysics-related
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo (2022-2023)
Doshisha University (2021) |
|---|
Principal Investigator |
作田 浩輝 東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (30876206)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
|
|---|
| Keywords | 水－水相分離 / ミクロ液滴 / 細胞モデル / 人工細胞 / 自発運動 / 細胞骨格 / モータータンパク質 / 高分子混雑効果 / リポソーム |
|---|
| Outline of Research at the Start |
生体の細胞はDNA、RNAやタンパク質などの生体高分子を高濃度に含有する水溶液である。生物は高分子が混雑した環境で、「部品」となる生体分子をどのようなメカニズムで適材適所に配置し、機能が構築されるのかといった課題に対する研究は初歩的な段階に留まっている。本研究では、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を目指す。生体から抽出した分子や細胞内小器官を用いた細胞構造の再構成や生命機能の構築が溶液の単純な混合により自律的に行われる実験系の確立をする。本研究の進展により、細胞の秩序構造の形成や機能の原理の解明に迫ることが期待できる。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
生体の細胞の内部はDNA、RNAやタンパク質などの生体高分子を高濃度に含有する水溶液の環境である。生物は高分子が混雑した環境で、「部品」となる生体分子をどのようなメカニズムで適材適所に配置し、機能が構築されるのかといった課題に対する研究は初歩的な段階に留まっている。本研究では、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を通して、細胞における生体分子の秩序構造の形成や機能のメカニズムの解明に迫る。生体から抽出した分子や細胞内小器官を用いた細胞構造の再構成や生命機能の構築が溶液の単純な混合により自律的に行われるモデル実験系の確立を目指し研究を展開してきた。
本年度は、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴系(相分離ミクロ液滴)に対して外部から濃度勾配を与えた場合に液滴が自発的に運動し、内部に取り込まれる分子により運動の速度を制御できることを明らかにした。これまでの研究で相分離ミクロ液滴系に対してDNAを共存させると数kbp以上の長鎖のDNAが液滴の内部に取り込まれることを見出していた。また、相分離ミクロ液滴の外部溶液に濃度勾配を与えると液滴は濃度勾配の前後方向に界面張力の勾配が生じるためMarangoni流により自発的に運動することが知られている。本年度の研究成果として、このような自発運動する液滴に対してDNAを取り込ませると、その局在有無により液滴の運動速度が異なることを明らかにした。このような速度の変化はDNAの液滴内部の有無に限らず共存塩によるCoil-Globule転移によっても引き起こされることを明らかにしている。本成果は、液滴内外の対流などの物理量の詳細な計測を行い、現在、国際論文誌に投稿中である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴を用いて、生体から抽出した分子や細胞内小器官の再構成や生命機能の構築が自律的に行われる実験系の確立を目指している。
本年度は、前年度の生体細胞内で運動を形成するモータータンパク質を用いた研究と対流が誘起する自発運動現象として比較対象となるような、界面張力の勾配によって生じる自発運動について研究を進めた。成果として、このような自発運動現象が内部に局在するDNAなどの分子の有無やその分子状態に起因して変化することを明らかにした。高分子の相分離ミクロ液滴系が自発的に駆動する報告は現在においても少なく、相分離が生じるような高分子で混雑した細胞環境と運動性に関して重要な知見を与えると考える。また、界面張力勾配に起因するMarangoni流により運動する相分離ミクロ液滴の内部に局在する分子の状態で液滴の運動が変化することを明らかにしたが、他のモータータンパク質系などでも同様の現象が生じるのか、新たな課題として検討の余地がある。
|
| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降も、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を通して、細胞における生体分子の秩序構造の形成や機能のメカニズムの解明に迫る予定である。本年度は、生体細胞の機能の一つとしてモータータンパク質による運動系を確立した。次年度は、運動機能のメカニズムの解明に迫るため、液滴の界面張力の変化にともなう運動系やモータータンパク質による運動系を発展させて、共存分子の高分子の相分離、混雑による流動・運動に対する影響を検討する予定である。さらに、運動系以外には、DNA/RNAからのタンパク質の発現などのような生体分子の働きについても再構成細胞モデルの確立を試みながら高分子の相分離現象との関連性を明らかにしていく。
|
Report
(3 results)
Research Products
(23 results)
-
-
-
[Journal Article] Behavior of Biopolymers, Cytoskeleton, DNA, and Phospholipids, that Exert Self-organization, Shown in the Liquid-Liquid Phase Separation2023
Author(s)
Kingo TAKIGUCHI, Hiroki SAKUTA, Masahito HAYASHI, Tatsuyuki WAIZUMI, Kanta TSUMOTO, Kenichi YOSHIKAWA
-
Journal Title
Seibutsu Butsuri
Volume: 63
Issue: 1
Pages: 5-11
DOI
ISSN
0582-4052, 1347-4219
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
