| Project/Area Number |
22K19299
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
藤原 慶 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20580989)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
茂木 文夫 北海道大学, 遺伝子病制御研究所, 教授 (10360653)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 合成生物学 / 反応拡散系 / 細胞サイズ空間 / 人工細胞 / 細胞極性 / 分子配置 |
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| Outline of Research at the Start |
化学反応と局所的な分子拡散の共役(反応拡散共役)によって創発される分子集合体の自発的なパターンは、細胞内の分子の時空間情報の形成を担う。反応拡散共役により形成されるパターンは動的なもののほかにチューリングパターン(TP)として知られる静的なものがあるが、理論・実験的な証拠が集まってきたものの、細胞のような小さな空間で本当にTPが形成されるかは明らかでない。そこで本研究では、人工的に反応ネットワークを構築した系と、細胞の中でTPを形成することが示唆されている系を人工細胞内で再構成し、細胞サイズの空間でTPが形成可能か、可能であればどのような条件であるかを探る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
化学反応と分子拡散の共役(反応拡散共役)によって出現するチューリングパターン(TPs)は、動物の縞模様のように細胞間相互作用で出現する現象を説明可能だが、最新研究において細胞内の分子配置にも重要である証拠が集まってきている。もし細胞の分子配置をTPsが決めていることが証明されれば、分子配置メカニズムにおける生命科学の視点は大きく転換する。そこで本研究では、人工細胞内再構成系と精製された要素を利用し、細胞サイズの空間でTPsが形成可能な条件を解明することを目的としている。
本研究に関連するものとして、バクテリアの細胞分裂面を決定するタンパク質の極間振動波であるMin波が存在するが、Min波とTPsの違いは、動的な変化を示すか、静的な構造であるかの違いである。そこで、Min波の動的な振る舞いは阻害因子(MinE)が活性化因子(MinD)と局在を共にすることに由来することに着目し、この両者が共存できない条件を創ることでMin波を静的にすることを試みた。具体的には、細胞骨格タンパク質であるFtsZをMinEと結合させ、MinEとMinDの局在を別にする条件を探索した。結果、反応速度と分子拡散の速度を調節することで、MinEとMinDが分離し、MinDが周期的なスポットパターンとして出現する条件を発見した。静的な周期パターンであり、ATPを利用した非平衡性を持ち、FRAP法のような局所刺激による外乱に対する自己修復機能の持つこと、融合によりスポット形状の再編成が生じることからTPsであると結論づけた。現在は理論研究者との共同研究を開し、このパターンが発生するメカニズムの解明とTPsであることの正確な論証を行うことを検討している。また、細胞内でのチューリングパターン形成法として本成果をまとめた論文を執筆中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
人工細胞内再構成系を利用することで、細胞サイズの空間で安定してチューリングパターン(TPs)が出現するための条件を明確にするために、（１）人工タンパク質によるMin波のTPs化と、（２）生命の初期胚内でTPs様のパターンを形成するPAR系の人工細胞内再構成、という2方向から研究を行う予定であった。（１）と（２）のいずれか、から細胞サイズ空間でのチューリングパターン形成原理が導かれれば、と考えていたところ、当初の計画以上に進展し、（１）はほぼ解決、（２）も要素の準備が整いつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、（２）のPAR系の人工細胞内再構成を進める。また、（１）に関しては論文による報告を行う予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
