2013 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems |
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| Project/Area Number |
25103009
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
今井 正幸 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60251485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菅原 正 神奈川大学, 理学部, 教授 (50124219)
豊田 太郎 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (80422377)
佐久間 由香 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40630801)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 人工細胞 / ベシクル / 自己複製 / 遺伝情報分子 / 触媒作用 / 自己駆動 |
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| Research Abstract |
本計画研究では、基本的分子群を用いて遺伝情報分子を複製しながら増殖するモデル膜（ベシクル型人工細胞）や化学反応を利用して自己駆動するベシクルなど、生命系に特徴的な機能を基本的な分子群で再現し、その物理的な機構を解明することにより人工細胞への道を探る事を目的としている。
ベシクル型人工細胞：我々の自己複製ベシクルで、DNAの増幅とベシクルの肥大・分裂とが連携する理由として、増幅したDNAと、カチオン性膜脂質および両親媒性触媒Cとが複合体を形成し、酵素的な機能を果たしていることが挙げられる。そこで、この複合体の組成と膜内での局在性を調べるために、PEGを担持したリン脂質を添加したＧＶを調製し、励起エネルギーの異なる蛍光色素を複合体の各成分に担持し、蛍光エネルギーの移動実験を行ない、近傍に触媒Cを侍らせたDNA-膜分子複合体が、2分子膜の外膜と内膜の中間にまで潜り込んでいることを明らかにした。
また、自己複製の機構を明らかにする目的で、自己複製過程を３次元的に追跡し、変形過程の３次元解析を行なう手法を確立した。分子供給系を含まないモデル自己複製ベシクル系での変形は、膜弾性モデルの記述と定量的に一致し、２分子膜内での両親媒性分子の非対称分布が鍵になる事を明らかにした。
分子集合体の自己駆動：細胞サイズの分子集合体が水中を遊走するメカニズムとして，分子集合体の構成分子と環境中の分子やイオンとのミクロな相互作用が重要である。そこで本研究では、駆動しながら形態変化し駆動方向を定める多重膜ジャイアントベシクルの構築を目的とした。酢酸エチルを媒介としてホォスファチジルコリンで多重膜ジャイアントベシクルを形成し、これに高濃度界面活性剤を添加すると、ジャイアントベシクルは変形と駆動の協同現象をみせることを見出した。
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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
ベシクル型人工細胞の構築に向けて、上記のように遺伝情報分子と膜分子および触媒分子の複合体として活性センターを作り、自己複製に重要な役割を果たすと言う非常に大きな知見が得られた。また、コンベイヤベシクルによる養分補給により、繰り返し自己生産するベシクルが構築された。また、GVに内封するDNAの鎖長と、膜分子添加後のベシクルの形態変化に相関があることを示唆する結果が得られつつある。更に自己複製過程の物理的解明に繋がる３次元画像解析法とその理論モデルの構築にも成功し、その物理的な機構解明に大きな一歩を記した。
一方、自己駆動現象においても、従来報告されていないジャイアントベシクルの変形と駆動の協同現象を見出したことは、研究目的に合致した成果といえるが、この現象の分子レベルのメカニズム解明が今後望まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ベシクル型人工細胞の構築に向けては、遺伝情報分子(DNA)を内包したカチオン性膜分子を含む自己生産ベシクルにおいて、内包したDNA分子の長さにより、自己生産過程が変調を受ける事がわかってきた。そこで、カチオン性膜分子を含むベシクルの自己生産ダイナミクスにおけるDNA鎖長の効果を検証するために、１）ベシクル内部に鎖長の異なる鋳型DNAを内封する、２）ベシクル膜に添加する、ポリエチレングリコール（PEG）鎖をもつ脂質(DSPE-PEGn)の濃度やPEG鎖長を変化させる、といった2通りの摂動を加え、膜前駆体添加により誘発される膜のBudding様変形が、ベシクル外部に向けて起こり分裂（Division）を誘起するか、内部に向けて起こりNestingを誘起するかの頻度を、共焦点レーザー走査型顕微鏡観察により精査する。さらに、共焦点顕微鏡観察から得られた３次元画像を解析することにより、ベシクル変形機構を決定する幾何学的パラメーターを抽出する。昨年度の分子供給系をもたない自己生産ベシクルにおける結果と比較することにより、この人工細胞モデルにおける自己生産の機構を解明する。
また、ジャイアントベシクルの自己駆動を分子レベルで理解するには、変形と駆動を詳細に計測する必要がある。そこで、ノイズとなる分散液中の流れ場を低減する半透膜観測チャンバー系を新たに構築し、変形が駆動に果たす役割を明らかにする。また、この変形・駆動現象はジャイアントベシクルの溶解を伴うことが課題となっている。そこで、反応活性界面活性剤を用いることで、ジャイアントベシクルが駆動しながら構成分子を外部から補給できる系を構築する。ジャイアントベシクルに自ら駆動して外部環境との分子のやりとりを行わせることで、自己駆動を長時間化するとともに、変形・駆動現象に内在する膜分子組成の分布とダイナミクスとの関係を明らかにすることを目指す。
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[Presentation] Chemophoresis of Vesicle
Author(s)
A. Kodama, Y. Sakuma, M. Imai, T. Kawakatsu, N. Puff and M. I. Angelova
Organizer
Workshop on Cross Correlation & Transport Phenomena in Soft Matter
Place of Presentation
Tokyo, Japan
Invited
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