動物細胞における複数人工遺伝子回路の組み合わせのシステム理論の確立と実践

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15KT0148
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 鮎川 翔太郎 東京工業大学, 情報生命博士教育院, 特任助教 (70645845)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木賀 大介 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (30376587)
• Project Period (FY): 2015-07-10 – 2018-03-31
• Keywords: 人工遺伝子回路 / 合成生物学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、相互抑制系など、パラメタに微小な差異を持った種々の人工遺伝子回路を数理モデルに基づいて動物細胞内に組み合わせるためのシステム論を確立する。合成生物学では、生物実験結果とモデルの差異に基づいて、次サイクルの生物実験のためのDNA 配列を設計し、モデルを改良するというアプローチが取られている。こうしたアプローチを用いて大腸菌を始めとした微生物ではすでに多くの成果が得られており方法論もある程度確立されているが、動物細胞では実験系の複雑さからまだ難しいというのが現状である。そこで、本研究では、この方法論を動物細胞へと拡張する。その結果として、動物細胞を活用する合成生物学でこれまで不可能であった、細胞の多様化比率における数理モデルと実際の細胞の挙動との対応の精緻化を達成する。
平成27年度は、相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路および大量発現回路を組み合わせて動物細胞の人工染色体に組み込み、細胞の多様化を達成させるための基本的な人工遺伝子回路を作成する予定であったが、先行研究で作製された相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路に不備が見つかったため、この回路の設計変更を行うことにした。我々の細胞実験と解析により、使用されている人工転写抑制因子の協同性が低いために、この人工遺伝子回路が設計通りの双安定性を示さないことがわかった。この結果から、転写抑制因子の協同性を高めることで双安定性が生じることが示唆されたため、転写抑制因子が結合するプロモータ配列の数を増加させるという設計変更を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

先行研究で作製された相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路において、転写抑制因子の協同性が低いことにより設計通りの双安定性を持たないことがわかり、回路の設計を変更する必要が生じたため。

Strategy for Future Research Activity

現在使用している相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路が双安定性を示さない原因が転写抑制因子の協同性が低いためであることが、我々の行った解析の結果からわかったので、転写抑制因子が結合するプロモータ配列の数を増加させた回路を実装する。その後、相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路と大量発現回路を組み合わせて動物細胞の人工染色体に組み込み、細胞の多様化を達成させるための基本的な人工遺伝子回路を作製する。さらにパラメタが異なる種々の回路を作成し、細胞の多様化比率のプログラミングを実現する。

Causes of Carryover

平成27年度は、相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路および大量発現回路を組み合わせて動物細胞の人工染色体に組み込み、細胞の多様化を達成させるための基本的な人工遺伝子回路を作成する予定であったが、細胞実験と数値解析から相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路が双安定性を持たないことが判明した。このため、人工遺伝子回路の設計変更など、実施計画を変更する必要が生じたためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成28年度は、まず設計を変更した相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路を実装する。その後、平成27年度に行う予定であった相互抑制ネットワークを持つ人工遺伝子回路と大量発現回路を組み合わせて動物細胞の人工染色体に組み込み、細胞の多様化を達成させるための基本的な人工遺伝子回路を作製する。次年度使用額はこれらの実験に必要な予算である。