2016 Fiscal Year Annual Research Report
Road from vesicles to protocells: metabolism, information, thermodynamics
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16H02216
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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) |
川勝 年洋 東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
佐久間 由香 東北大学, 理学研究科, 助教 (40630801)
浦上 直人 山口大学, 創成科学研究科, 准教授 (50314795)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | プロトセル / 代謝 / 情報 / 熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本基盤研究では、ベシクルが生命的な機能を獲得した過程を単純なソフトマターの分子集合体を用いて再現し、生命誕生の背後にある物理の解明を目指す。具体的な課題として1)代謝系を持つ成長するベシクル、2)情報分子を持つベシクル、3)プロトセルの熱力学、の３つのテーマから研究を進めてきた。
1)代謝系を持つ成長するベシクル：負の電荷をもつベシクル膜上で、負電荷を利用した鋳型重合により正電荷をもつ高分子（膜の電荷情報を含む情報高分子）を重合し、その正電荷を利用して溶液中の負電荷をもつ膜分子を情報高分子上に凝集させることにより、ベシクル膜に取り込み成長するベシクル系をデザインした。実際に負電荷をもつAOTベシクル上で正電荷をもつポリアニリンを重合することにより、ベシクル周りのAOTミセルを取り込み成長するベシクルの開発に成功した。この系はベシクルだけではなく、情報分子も複製される真の自己生産ベシクルへの展開への基礎となるものである。
２）ベシクル膜上での情報分子の進化：ベシクル膜上にアンカーしたDNA鎖に対して、相補鎖をライゲーション反応により継ぎ足し膜上でDNA鎖を成長させる。配列の異なる複数のDNA鎖を用いてDNA鎖の成長をすすめ、DNA鎖間での競合により最終的にどのような配列のDNA鎖が残るのかを明らかにする。この結果を力学モデルと合わせることにより、DNA鎖の情報（配列）をもとにした進化モデルの構築を進める。昨年度は、DNA鎖のベシクル膜上へのアンカリングと凝集・解離の制御に成功した。
３）プロトセルの熱力学：昨年度は、曲率の異なる２種類の脂質分子がベシクルの分裂をもたらす機構を。モレキュラーダイナミクス法を用いて検討し、２種類の脂質の形状と膜のガウス曲率との結合がベシクルの分裂をもたらすことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
生命の最も本質的な性質である、成長・分裂して増殖するベシクルを作成することが本研究の最も重要なターゲットである。今までの研究から、このようなシステムを実現するための２つのハードルが、外部から原料を取り込んでベシクルが成長するプロセスと分裂するプロセスであることがわかってきた。昨年度はこの問題に対して、膜表面での情報高分子の重合を介在させることにより外部から原料を取り込んで成長するベシクルの開発に成功した。これは、世界で初めての情報高分子を介在させた成長するベシクルの創成であり特質すべき成果である。また、分裂の関しても２週類の膜分子の形状をベシクルの曲率と結合させることにより分裂が誘起されることを、分子動力学シミュレーションにより相図として示した。このように、分裂の機構を定量的に示したのは我々の研究が初めてであり、非常に価値の高いものである。これらの２つの関門を初年度の段階でクリアした点を評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在進めている1)代謝系を持つ成長するベシクル、2)情報分子を持つベシクル、3)プロトセルの熱力学、の３つのテーマについて、昨年度の発展を基に以下のように研究をさ進める。
1)代謝系を持つ成長するベシクル：昨年度の成果を基に、成長するベシクルを分裂させる自己生産ベシクルの開発を目指す。本年度はまず、ベシクルの成長に伴う変形過程を３次元解析し、そのキネティックパスウエイを明らかにしたのち、第二成分としてSDBSを添加し、その曲率の違いを利用した変形と分裂を試みる。実験ではその変形過程を３次元解析することにより、最適な素性を割り出し持続的に増殖するベシクルの創成を目指す。
２）ベシクル膜上での情報分子の進化：ベシクル膜上にアンカーしたDNA鎖に対して、相補鎖をライゲーション反応により継ぎ足し膜上でDNA鎖を成長させる。配列の異なる複数のDNA鎖を用いてDNA鎖の成長をすすめ、DNA鎖間での競合により最終的にどのような配列のDNA鎖が残るのかを明らかにする。この結果を力学モデルと合わせることにより、DNA鎖の情報（配列）をもとにした進化モデルの構築を進める。昨年度は、DNA鎖のベシクル膜上へのアンカリングと凝集・解離の制御に成功したので、今年度は、実際に膜上でのライゲーションを行い、幾つかのモデル系で競合と選択のモデル系の構築のための基礎的な実験を進める。
３）プロトセルの熱力学：本年度は、昨年度開発した膜分裂シミュレーションのスキームを利用して熱力学積分法を用いて基準状態からの自由エネルギーの差を評価することにより、プロトセルの自己生産に関する自由エネルギーランドスケープを作成する。また、ベシクルの増殖過程に対して Jarzynski不等式を適用し、分裂を起こすための非平衡熱力学的条件を明らかにする。
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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] ベシクルの分裂メカニズム2016
Author(s)
浦上直人、 神保岳大、佐久間由香、今井正幸
Organizer
第6回ソフトマター研究会
Place of Presentation
北海道大学（北海道・札幌市）
Year and Date
2016-10-24 – 2016-10-26
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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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