2014 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 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) |
佐久間 由香 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40630801)
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)
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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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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画では、基本的な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ことを目的にしている。
１）ベシクル型人工細胞
繰り返し増殖するベシクルを創成するには、原料の供給システムを確立する必要がある。我々の開発したベシクル系では、新たに分裂したベシクル型人工細胞には、DNAの原料であるdNTPが枯渇している。そこで、dNTPを内封しかつ膜電位の符号の異なるコンベイヤGVを、分散液のpH変化をトリガーとして、分裂したGVに吸着・融合させたところ、dNTP が移送され、繰り返し自己増殖するGV型人工細胞が実現した。また、分裂して増殖するベシクルの３次元解析により、その軌跡が一定の道筋を通ること、ベシクルが分裂したのち分離するには逆コーン型の脂質が内膜に過剰に存在することが必要であることを定量的に示した。
２）化学反応を利用して変形しながら駆動する脂質凝集体
我々は、界面活性剤水溶液中で変形しやすいリン脂質凝集体に注目し、界面活性剤の刺激により変形しながら駆動するリン脂質凝集体の創成を目的としている。今年度、フォスファチジルコリンで構成されるリン脂質凝集体へ、TritonX100という非イオン性界面活性剤を添加しうる半透膜型チャンバーを作製した。これにより、球形のリン脂質凝集体が尾状の構造体を形成するように変形し、その尾状構造体を大きく左右にフラッピングさせたり伸縮させるという特異的な変形をしながら、頭部が向いている方向へ一方向的に駆動することを見出した。
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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
本研究計画の基本的な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を構築すること目的にしている。
増殖するベシクル型人工細胞の開発に関しては、既に 遺伝情報分子であるDNAを内包し、DNAを複製しながら分裂するベシクルの開発に成功している。今回その系の残された課題の一つである枯渇した代謝反応の基質を、任意のタイミングでベシクル型人工細胞に輸送する方法を確立した。また、ベシクル分裂の機構の解明もモデル系を用いて進んでおり、ベシクルの２分子膜内での非対称分布が鍵であることが定量的に明らかになった。
一方、化学反応を利用して変形しながら駆動する脂質凝集体については、穏やかな界面活性剤の添加を可能にする観測デバイスを構築することにより、リン脂質凝集体の駆動現象を観測しその画像データを解析できる段階に至った。本研究課題の目標の1つを達成したといえる。
このように、目的とするベシクル型人工細胞の構築に向けて順調に研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
さらにもう一段進んだ人工細胞の創成に向けて以下の研究を推進する。
増殖するベシクル型人工細胞：ベシクルの増殖と情報分子の連携が取れた人工細胞系の構築を目指して、人工細胞に鎖長の異なるＤＮＡ（遺伝子型）をそれぞれ内封し、その分裂様式（表現型）を共焦点レーザー顕微鏡で観察することで、遺伝子型と表現型の相関を明らかにする。また、ベシクルの分裂における困難は、球場のベシクルからひょうたん型(limiting shape)への変形とlimiting shapeから２つの独立したベシクルへの分離である。前者については変形過程の３次元解析と膜弾性エネルギーモデルで逆コーン型脂質の２分子膜内の非対称分布が鍵であることが判明したが、後者については未解決である。この問題を理解するためにはベシクル分裂時のPE脂質の分布の変化を評価することが大切である。そこで、PE脂質のアシル鎖を蛍光ラベルした分子を用いて、分裂時のPE脂質の分布の時間変化を定量化し、PE脂質の局在化をモデル化した膜弾性モデルを用いて機構の解明を目指す。
化学反応を利用して変形しながら駆動する脂質凝集体については、今回開発したリン脂質凝集体は，駆動している間に頭部も尾状構造体も徐々に小さくなり，添加して10分後には，ほぼ全ての凝集体が溶解することが課題である。そこで、リン脂質凝集体の構成分子を補給でき、凝集体の駆動時間を長時間化するための化学反応系を新たに構築する。
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[Presentation] リン脂質ベシクルの化学駆動とそれに伴う変形と破裂2015
Author(s)
兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋, Nicolas Puff, Miglena I. Angelova
Organizer
新学術領域研究「ゆらぎと構造の協奏」研究会「アクティブ・マター研究の過去・現在・未来」
Place of Presentation
東北大学、仙台
Year and Date
2015-03-14 – 2015-03-15
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