| Project/Area Number |
23K13070
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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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) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | ソフトマター / 生物物理 / ベシクル / 人工細胞 / 生命の起源 / 代謝 / 進化 / 非平衡熱力学 / ミニマルセル / 高分子 |
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| Outline of Research at the Start |
生命とは高分子や膜などの物質群が化学反応系（代謝）により連携し、自己生産や進化などの特異的な振る舞いを示す非平衡システムである。代表者はこれまでにモデル膜（ベシクル）とその人工情報高分子という２つの構成要素、そして代謝を模した人工の化学反応系からなる自己生産系を構築してきた。本研究ではこの代謝と自己生産機能を持つシステムについて、構成要素である情報高分子と膜分子の組成を多様に変化させる。そして組成が異なる自己生産系（=種）を競わせ、より増殖能が高い方が繁栄するという進化のプロセスを単純かつ人工的な系で再現する。こうした化学と物理が簡明なモデル系に基づき、物質から生命への組織化原理を探索する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、膜コンパートメント（ベシクル)と、その構成情報を反映する情報高分子という２つの基本要素からなる、自己生産や進化などの生命の本質的な特徴を単純かつ人工的な方法で再現するモデル実験系「人工ミニマルセル」について、代表者がこれまで作成してきた実験系をベースに組成を多様化した変異系を作成し、異なる組成どうしで成長速度や自己生産能力を競わせることで生命の持つ変異や進化のプロセスを人工のモデル実験系内で再現することにある。前年度はそれぞれ２成分の膜・高分子の組み合わせからなる異なる変異系間で膜成長速度を測定し、組成によって差が生じることを動的光散乱法を用いた精密実験によって明らかにした。本年度は、ミニマルセルを構成する膜と高分子間の相互作用に着目し、昨年度得られた成果を補強するコントロール実験系に着手した。具体的には、これまではAOTやSDBSなどスルホ基を持つ膜分子からなる膜に対し、水素結合を中心とした特異的な相互作用を持つことが知られるポリアニリンやポリピロールを情報高分子として採用した。その比較系として、両高分子と同様に陽イオン性の高分子であるが、両高分子とは異なりAOTやSDBSなどの膜分子との特異的相互作用が知られていない３種の別の高分子の存在下でベシクルの成長実験を行った。その結果、これら３種の比較高分子系では膜成長速度が著しく抑制され、ミニマルセル系で成長を促進する相互作用が単なる静電相互作用ではなく、膜-高分子間の特異的相互作用を中心とした分子認識により支配されることが判明した。これは情報高分子の持つ膜成長促進能力が触媒作用に似た分子選択性を持つことを意味し、膜と高分子間の相互触媒的な関係という従来仮説として提唱されてきた人工ミニマルセルの成長機構の正当性が具体的な実験結果により補強されるという成果につながった。
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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
実験系構築の試行錯誤や、コントロール実験系による結果の補強に多くの時間と手間がかかることを想定していたが、これらの実験が予想以上に順調にすすんだ。その結果、ベシクルの情報高分子が膜成長を促進するキネティクスが酵素反応の基本モデルであるミカエリス・メンテン型とほとんど同様であることを実験により明らかにすることができ、本研究で予定していた実験計画がほぼ完了している。また非平衡熱力学ベースで人工ミニマルセル系の理論モデルを構築する試みも、前年度考案した評価関数をやや軌道修正する形にはなったが議論を進めており、いくつかの国内・国際会議で発表し議論できる段階までは至っている。今後も専門家との議論を通して現時点でのモデルの検証や、非平衡熱力学におけるより適切な人工ミニマルセルの記述・評価形式を検証する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、膜・高分子系の膜成長速度の測定やその比較条件下での補助的な測定など、十分な量の測定結果が得られている。本年度はまだ不足している部分は適宜測定を続けながらも、これまでの実験結果をまとめ、解析する段階に移り、その結果を原著論文として投稿する。特にベシクルの情報高分子が膜成長を促進する実験結果が酵素反応の基本モデルであるミカエリス・メンテン式と綺麗に一致する形として得られたことは示唆に富んでおり、ベシクルを反応場として用いるテンプレート重合反応系の研究という超分子化学の観点からも重要な成果になり得る。
また前年度は理論モデルとしてミニマルセルの成長速度（細胞周期の長さ）、化学反応系の効率（エネルギーコスト）、そして外部環境への戦略（成長速度を優先するかエネルギー効率を優先するか）という観点で評価関数を定義し議論するという戦略をとっていたが、理論家との議論を通してこの方針をやや変更して、最初から生命らしさを物質の中で定めていた前提の誤謬を正し、膜成長速度や熱浴との熱の授受などを用い、より従来の非平衡熱力学の枠組みの中で実験系を記述する理論モデルの構築に着手する。
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