| Project/Area Number |
23H00087
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
今井 正幸 東北大学, 理学研究科, 教授 (60251485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
栗栖 実 東北大学, 理学研究科, 助教 (00963943)
川勝 年洋 東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
佐久間 由香 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40630801)
浦上 直人 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (50314795)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥48,360,000 (Direct Cost: ¥37,200,000、Indirect Cost: ¥11,160,000)
Fiscal Year 2025: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2024: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥30,160,000 (Direct Cost: ¥23,200,000、Indirect Cost: ¥6,960,000)
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| Keywords | ミニマルセル / 進化 / 非平衡統計熱力学 / 非平衡熱力学 / 非平衡熱統計力学 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、生命システムの最大の特徴である進化の機能を、セントラルドグマに従わない方法で実装した「進化する自己生産ミニマルセル」を膜面上での鋳型重合を核にして自立した反応ネットワークを構築することにより実現する。また、そのシステムが安定に存在するための非平衡熱統計力学的な条件を明らかにする。特に我々のミニマルセルは、現実の生命システムとは完全に独立した化学反応ネットワーク、構成分子の組成情報と機能を結びつける情報の流れ、持続的なベシクルの自己生産を有するシステムとなっている。このシステムを理解することにより、物質から生命システムが誕生した物理的な背景を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2024年度は「進化する自己生産ミニマルセル」の創成を、１）様々なAOT型膜分子と連携する情報高分子の開発とAOT型膜分子と連携した情報高分子からなる新しい種の創生とそれらを用いたモデル進化実験、２）ミニマルセルの実験結果をベースにミニマルセルの安定性を非平衡熱力学の観点から定式化、および３）ミニマルセルの知見に基づいた生命の誕生における配列情報とベシクル成長の連携に関するモデル実験、の３つのテーマを中心に行った。
１）新しい２成分目の情報分子PPyと２成分目の膜分子SDBSを導入することにより２種類の膜組成、２種類の情報高分子、２種類の供給膜分子の組み合わせ計８種類のミニマルセルを作成し、それぞれの種の成長速度を計測、種によって成長速度に大きな差があることを確認し、適応度地形として表した。
２）ミニマルセルのエッセンスは、膜分子とモノマーとの特異的な相互作用に基づく鋳型重合による高分子触媒分子の合成とその高分子触媒を介した溶液中の膜分子のベシクル膜への取り込みによるベシクルの成長である。これにより外部から供給された原料（グルコース）がエネルギー分子(H2O2)に変換され、このエネルギー分子を使って鋳型重合が進み高分子触媒が合成、そのモノマー配列によって膜分子の取り込みが進み膜面積が増大する。この膜面積の増大によりベシクル膜面上での触媒濃度が低下するために反応が平衡にならずに持続する。このミニマルセルの反応・成長スキームをもとに、ベシクル成長の確率方程式を導出し、ベシクル成長と種の多様性の間のトレードオフの関係を非平衡熱力学をベースに導いた。
３）ミニマルセルの反応・成長スキームをもとに原始スープにおける生命の誕生をモデル化したペプチドのアミノ酸配列とベシクル成長の関係を検証する実験を行い、配列とベシクル成長の特異的な関係を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
想定以上に進んでいる点として、新しい２成分目の情報分子PPyと２成分目の膜分子SDBSを導入することにより８種類のミニマルセルを作成し、それぞれの種の成長速度から適応度地形を作成したことは進化するミニマルセルに向けての大きな前進である。また、このミニマルセルの反応・成長スキームをベースにミニマルセルの進化ダイナミクスを記述し、非平衡熱力学をベースにミニマルセルの成長と種の多様性との間のトレードオフの関係を明らかにしたことがある。また、このミニマルセルのスキームをベースにプロとセルの進化モデルを提案できたのも、想定以上の成果である。
一方、本プロジェクトの目的の一つである我々のミニマルセルに膜分子合成系を導入して自律的に成長するミニマルセルの創成については、想定していたグルコースに代えてグルコース-３-硫酸およびグルコース-６-硫酸を原料とし、これをグルコース酸化酵素GODを用いて分解してエネルギー分子H2O2と反応生生物 硫酸化グルコン酸を得る実験を行ったが、収率が非常に悪かったので、新しい戦略を考える必要に迫られている。この点について有機生物化学合成が専門のカルフォルニア大学サンディエゴ校のDevaraj教授との共同研究を計画しており、Devaraj教授の知見をもとに新しいアプローチを試みる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2025年度は「進化する自己生産ミニマルセル」の創成を、１）様々なAOT型膜分子と連携する情報高分子の開発とAOT型膜分子と連携した情報高分子からなる種を競合させて進化実験、２）これらミニマルセルの実験結果をベースにミニマルセルの安定性を非平衡熱力学の観点から定式化、および３）膜分子合成系を導入して自律的に増殖するベシクルの創成を重点的に進める。
１）進化する自己生産ミニマルセルの実験系の構築に向けて、現在我々が持つ８種類のミニマルセル間の競争関係や、種の各成分によって支配される成長のキネティクスを解析し、その結果を原著論文としてまとめる。
２）については現在得られたミニマルセルの進化ダイナミクスのスキームをベースに情報熱力学の観点、すなわち高分子触媒が選択的に膜分子を認識してベシクルに取り込む過程を、マックスウェルのデーモンの観点から検討し、生命誕生における情報の役割を明確にする。一方、分子スケールからのアプローチとして粗視化分子動力学シミュレーションにより、外部から膜分子を取り込むことによるベシクルの成長・分裂メカニズムの解明を行う。実験結果とシミュレーション結果を比較検討を行うことで、進化する自己生産ミニマルセルを達成するための条件を明らかにする。さらには、細胞増殖の新しいシミュレーション手法としてPhase Fieldモデルを採用して、オルガノイドを用いた成長実験とシミュレーションの対応から細胞増殖の力学モデルを確立する。
３）Devaraj教授は膜分子合成の専門家であり、彼らとの共同研究から我々のミニマルセルに膜分子合成系を導入する道筋を開発し、自律的なミニマルセルの誕生を導く。
これらの研究を通して「進化する自己生産ミニマルセル」に向けての基礎的な知見を集める。
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