Morphologiacl and physical analysis of self-growing protocell

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 16H00797
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 車 兪徹 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任准教授 (40508420)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2017: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2016: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: プロトセル / 生命の起源 / 人工細胞 / 自己複製 / ベシクル （vesicle） / 生物物理 / ソフトマター / ソフトマター物理

Outline of Annual Research Achievements

ベシクル系をベースとして細胞機能を再現するプロトセルを、非平衡ゆらぎが起こる場として考え、生命現象がどのような物理的機構を経て成り立っているのかを理解する。具体的には、ベシクルの内空間から新たに脂質を供給し自己成長・分裂を促すことで、ベシクルの形態変化を観察しその物理を解析する。平成２９年度は以下のような研究実績を得ることができた。
再構築した脂肪酸合成系の最適化を行なった。具体的には酵素比を変えることにより、飽和脂肪酸メジャーな状態から不飽和脂肪酸をメジャーとする系に改良した。これにより、合成産物である脂肪酸による酵素タンパク質の凝集や不活化を防ぐことに成功した。改良した系により、C18:1、C16:0、C16:1をメジャー脂肪酸として合成することができた。また、嫌気条件下で強瀬を行なったところ、C18:1のみ約1.5倍の合成量の増加が観察できた。これらの最適化により、再構築系で200uMの脂肪酸を合成することができた。これは、直径20umのベシクル内部でどう反応を行なった場合、母ベシクルを構成する資質に対して約20%の脂質を合成できることを意味している。よりベシクル内部の環境に近ずけるため、また合成した脂肪酸の局在場所を提供する目的で、直径200nmのリポソームを反応液に加えて脂肪酸合成を行なった。その結果合成初速度が大幅に上昇する結果が得られた。これは、合成された脂肪酸がリポソーム膜に吸収（局在）され、酵素に付着する頻度が減少し、その結果脂肪酸による酵素阻害が低下したことで合成スピードが保たれたものと考えられる。
最適化した再構築系をベシクルに内包し内部で反応を行いながらベシクルを観察した。その結果、わずかではあるがベシクル表面から細いチューブ状の樹状のベシクルが観察された。この現象が内部の反応依存的なものかどうかを現在確かめている。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Roma Tre University(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Newcastle University/University of Glasgow(英国)
• [Int'l Joint Research] Harvard University(米国)
• [Journal Article] Synthetic cells produce a quorum sensing chemical signal perceived by Pseudomonas aeruginosa (2018)
  • Author(s): Rampioni Giordano、D’Angelo Francesca、Messina Marco、Zennaro Alessandro、Kuruma Yutetsu、Tofani Daniela、Leoni Livia、Stano Pasquale
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 54 Issue: 17 Pages: 2090-2093
  • DOI: 10.1039/c7cc09678j
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] De Novo Synthesis of Basal Bacterial Cell Division Proteins FtsZ, FtsA, and ZipA Inside Giant Vesicles (2018)
  • Author(s): Furusato Takumi、Horie Fumihiro、Matsubayashi Hideaki T.、Amikura Kazuaki、Kuruma Yutetsu、Ueda Takuya
  • Journal Title: ACS Synthetic Biology Volume: 7 Issue: 4 Pages: 953-961
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00350
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell-free translation system: Development in biochemistry and advance in synthetic biology (2017)
  • Author(s): 金森崇，杉本（永池）崇，車兪澈，網藏和晃，上田卓也
  • Journal Title: 生化学 Volume: 89 Issue: 2 Pages: 211-220
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2017.890211
  • NAID: 40021203278
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2017-04-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] What can synthetic biology offer to artificial intelligence (and vice versa)? (2016)
  • Author(s): Luisa Damiano, Yutetsu Kuruma and Pasquale Stano
  • Journal Title: Biosystems Volume: 148 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1016/j.biosystems.2016.09.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell-free Synthesis of Membrane Proteins (2016)
  • Author(s): 車 兪澈, 上田 卓也
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 56 Issue: 3 Pages: 162-164
  • DOI: 10.2142/biophys.56.162
  • NAID: 130005153070
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Reconstruction of functional cell membrane based on cell-free system (2017)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: Cell-free Synthetic Biology Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Construction of a Model Cell Membrane Applicable to the Protocell Study (2017)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Construction of an artificial cell for the study of early cells (2017)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: International Conference The Origin of Life - Synergy among the RNA, Protein, and Lipid Worlds
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Next approach to formulation of artificial membrane (2017)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: Origins of Life
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Next approach to formulation of artificial membrane (2017)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma, Taku Oshima
  • Organizer: Origin of Life a workshop
  • Place of Presentation: Newcastle, UK
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Construction of artificial cell based on cell-free syetem (2016)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: EON International Workshop “Synthetic Approach for The Study of Origin of Life”
  • Place of Presentation: Glasgow, UK
  • Year and Date: 2016-11-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Construction of Artificial Cell for the Origin of Cells (2016)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: , The Annual Meeting of Japanese Society for Cell Synthesis Research 9.0
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-11-21
  • Invited
• [Presentation] Construction of Minimal Cell Based on Cell-Free System (2016)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: Okazaki Institute for Integrative Bioscience (OIIB) Summer School
  • Place of Presentation: Okazaki, Japan
  • Year and Date: 2016-08-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] “Construction of Artificial Cell Containing Lipid Synthesis Metabolism” (2016)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: Workshop #3 in 18th Annual Meeting of the Society of Evolutionary Studies Japan
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Invited
• [Presentation] Construction of Lipid Synthesizing Protocell (2016)
  • Author(s): Yutetsu Kuruma
  • Organizer: Award Talk of SFS Research Award 2015
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Invited
• [Book] “無細胞タンパク質合成系とベシクルによる人工細胞の構築” 「人工細胞の創製とその応用」 (2017)
  • Author(s): 車兪澈
  • Total Pages: 215
  • Publisher: CMC出版
• [Book] 「実験医学」“クローズアップ実験法：PUREシステムを用いた膜タンパク質の無細胞合成” (2016)
  • Author(s): 車兪澈，上田卓也
  • Total Pages: 139
  • Publisher: 羊土社
• [Remarks] Website of Yutetsu Kuruma
  • URL: https://members.elsi.jp/%7Ekuruma/
• [Remarks] YUTETSU KURUMA WEBSITE
  • URL: http://gncd.jp/yk_test/index.html
• [Funded Workshop] WORKSHOPS May 31, 2017 International Workshop "Reconstructing the Phenomenon of Life -To Retrace the Emergence of Life -" (2017)