2016 Fiscal Year Annual Research Report
Physical approach from soft matter to artificial cell
| 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, 理学研究科, 教授 (60251485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐久間 由香 東北大学, 理学研究科, 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, 大学院総合文化研究科, 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 / 情報分子 / 自己駆動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）人工細胞の創成：GV型人工細胞の膜内に溶存し、膜分子前駆体を膜分子に変換する触媒となる酸性両親媒性分子が、膜内に陥入したDNAの近傍に局在することを、蛍光プローブの励起エネルギー移動により明らかにした。また、膜分子前駆体の加水分解速度にみられる触媒とDNAとの相乗効果は、この触媒系がデオキシリボザイムとして作用することを意味している。さらに、膜組成のアニオン性を高めたＧＶでは、内封DNAが同一でも、DNA増幅から膜分子前駆体添加までの飢餓時間に依存して、GVの形態変化が変化する表現型可塑性を示した。
２）膜変形を利用する自己駆動ベシクルの創成：リン脂質(DMPC)のひも状ジャイアントベシクルがオレイン酸ナトリウム水溶液中で一方向的に運動する現象や、デシルアミンのリオトロピック液晶型ひも状分子凝集体が酸性水溶液中で一方向的に運動する現象について、駆動機構の解明を進めた。DMPCベシクルは，DMPCの相転移温度以下にサンプル温度が降温すると駆動を止め，相転移温度以上に昇温すると駆動を再開した。また，デシルアミンの分子凝集体については，分子凝集体の動きが酸の濃度に依存し，至適濃度範囲があることが見出された。これらの結果は，分子凝集体表面で分子が水相へ溶解していく過程が駆動機構の支配要因であることを示唆している。
３）人工細胞系を支える物理的な機構の解明：分子供給系のある自己生産ベシクル（菅原ベシクル）の機構を３次元解析を基に検討し、そのキネティックパスウエイを明らかにした。基本的には外部からベシクル膜に供給される分子が２分子膜内の内膜と外膜にうまく分配されることにより、limiting shape への変形がもたらされている。その分配を支配する機構として膜分子前駆体と触媒との相互作用を基にした速度論的方程式を考え、実験結果と比較検討することによりその機構を検討中である。
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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
本計画研究では、人工細胞の創成に向けて合成化学とソフトマター物理学の研究者が連携して挑むものである。人工細胞の根幹をなす基本的要素（自己生産・代謝・遺伝情報分子との連携・自己駆動）に関しては、おおよそ再現に成功した。特に外部から原料を輸送しそれを用いて持続的にな成長が可能な人工細胞システムや、人工細胞内に閉じ込めた情報分子と膜との相互作用により遺伝型と発現型がリンクすることも明らかにできた。また、その物理的な機構の解明も変形過程の３次元解析と膜弾性理論により詳細にわかってきた。また自己駆動に関しては、波打ち変形しながら駆動するひも状分子凝集体の創成は完成し、駆動機構に迫る実験データが揃ってきている。今後は、各要素の連携に焦点をあて、より生命らしい人工細胞系の構築に向かって研究を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度の計画としては、その総仕上げとして以下の３つのプロジェクトについてように研究を進める。
１）人工細胞の創成：異なる遺伝情報分子（長さの異なるDNA）を内包させたベシクルを、内部の基質が枯渇しても、ベシクル輸送により基質を補うことで繰り返し自己増殖が可能な回帰型人工細胞へと発展させる。さらに内封されたDNAが情報分子（遺伝子型）として、ベシクルの自己生産の様式（表現型）と関連する相関型人工細胞を創成する。特にDNAの変異モデル系を確立し、遺伝型と表現型の相関をもつことより進化する人工細胞を目指す。
２）膜変形を利用する自己駆動ベシクルの創成：昨年度までに，界面活性剤存在下でチューブ状分子凝集体が水中を変形しながら駆動する現象を報告してきた。しかし、この現象は数分程度の間しか観測されないため、構造変形の時間発展から機構解明に迫ることが難しい。この課題を克服するため、昨年度、界面活性剤添加時に凝集体へ補充できることを目指した人工リン脂質を新たに合成した。本年度は、これを用いて一連の駆動現象を長時間継続させることで変形－駆動がカップリングする機構の本質へ迫る。
３）人工細胞系を支える物理的な機構の解明：分子供給系を備えた自己生産ベシクル系（脂肪酸ベシクル系および菅原グループが開発した自己生産ベシクル）の３次元解析を行い、膜弾性理論に基づいた解析により自己生産における分子供給の役割を明らかにする。さらに情報分子を内包した自己生産ベシクルへも解析を展開する。情報分子と膜分子の相互作用と自己生産様式の関係を明らかにし、情報がどのように表現系に現れるかを解明する。
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Research Products
(41 results)
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[Presentation] 人工細胞をつくる2017
Author(s)
菅原正
Organizer
第27回神奈川大学平塚シンポジウム
Place of Presentation
神奈川大学（神奈川県・平塚市）
Year and Date
2017-03-04 – 2017-03-04
Invited
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[Presentation] Mechanism of self-reproducing vesicles2017
Author(s)
Takehiro Jimbo, Yuka Sakuma, Masayuki Imai, Naohito Urakami, Primoz Ziherl
Organizer
Biophysical Society 61st Annual Meeting
Place of Presentation
New Orleans, U.S.A.
Year and Date
2017-02-11 – 2017-02-15
Int'l Joint Research
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[Presentation] ２細胞接着系の形態形成2016
Author(s)
海老原隆太, 河野拓馬, 佐久間由香, 今井正幸, Primoz Ziherl
Organizer
日本物理学会2016年秋大会
Place of Presentation
金沢大学（石川県・金沢市）
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
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