| Project/Area Number |
22K20346
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
栗栖 実 東北大学, 理学研究科, 助教 (00963943)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | ソフトマター / 生物物理 / ベシクル / 高分子 / 人工細胞 / 生命の起源 / ミニマルセル / 進化 / 自己生産 |
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| Outline of Research at the Start |
生命とは、高分子や膜などのソフトマターが化学反応ネットワークを介し連携する事で自己生産し進化する非平衡システムである。本研究の目的は、この生命という特異な物質の存在様式がどのような物理法則に従ってこの自然界に発生し得るのか、ソフトマター物理を軸に、生命と同じように自己生産し進化する単純な分子システム「ミニマルセル」の構築を通して探索することにある。本研究ではミニマルセルの遺伝子に相当する情報高分子に変異を与え、それに応じた自己生産能力の変化を実験と数理モデルから探索することで、進化するミニマルセルを構築する。本研究により、物質と生命を繋ぐ物理法則の解明に向けた生命の新たな物理的描像を提示する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工ミニマルセルの２成分目の情報高分子として新たに合成・実験系を確立したポリピロールを用いて、まず２種類の情報高分子・２種類の膜組成・２種類の材料分子供給からなる８通りのパターンについてベシクル成長速度の測定を行った。その結果、当初の見込み通り人工ミニマルセル系の組成（「種」）によってその成長速度に差（「変異」）が生じることが動的光散乱法を用いた粒径測定により確認され、進化する自己生産ミニマルセルを実際の実験系として構築するための基本形が完成した。
また本研究の目標はモデル実験系である人工ミニマルセルの構築だけでなく、それを足がかりに単純な分子集合系と生命とを繋ぐ物理的原理に迫ることにあるが、この理論面で当初の想定を大きく上回る成果があった。本研究により非平衡系の熱力学に新たに取り組み、細胞の代謝系の理論モデルを出発点に、ミニマルセルの化学反応系（情報高分子合成）にともなうエントロピー生成と膜成長速度のバランスに関する評価関数を考案し、それに基づいて「環境に応じていかにしてエネルギーコスト（散逸）を抑えつつ大きく成長するか」という一本の筋で単純な分子系からミニマルセル系の出現、そして変異と進化による高度化のプロセスを説明しようとする枠組みの基礎を構築できた。
総じて、従来は１種類の情報高分子・１種類の膜組成が化学反応系と連携していた人工ミニマルセルについて、組成の多様化による進化可能なシステムへの実験面での展開、および物質から生命出現までを貫く原理の理論的探究という、実験・理論が共同した世界で唯一のミニマルセル研究を推進することができた。
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