2018 Fiscal Year Annual Research Report
Steadily self-reproducing vesicles oriented to an evolvable chemical system
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18J22004
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉山 博紀 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | ジャイアントベシクル / マイクロ流体デバイス / 自己再生産 / 機械支援型実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の根幹をなす自己再生産可能なジャイアントベシクル（GV）の実現に向けて，修士課程に引き続き博士課程において，ヒュスゲン環化反応を利用した膜分子生産系の構築という共同研究を行ってきた．この膜分子生産系を用いたGVの成長・分裂動態，さらに，GV内部に内包したDNAの娘GVへの分配を示し，2018年内にScientific Reportsに論文発表した（膜分子の合成・精製による分子の同定と，画像解析による現象の定量化を担当）．
本研究課題で対象とする鈴木－宮浦カップリング型の自己再生産動態の創出に向け，グリセロフォスフォコリン，リソフォスファチジルコリンそれぞれを原料に，疎水性部位の炭素数が異なる候補分子群を計６種類合成し，それらを用いてGVが多数形成される作成条件を見出した．マイクロ流体デバイス（MFD）の撥水・撥油加工により，作製したGVをMFDの顕微鏡視野内で20個程度（粒径約10 um）捕捉することが出来た．本成果に基づいて，「細胞を創る」研究会11.0（2018年10月）にて，ポスター発表を行った．
一方，MFD観測においては従来外溶液を定常的に流し続ける必要があった．このため，流れ場によるGVへの力学的刺激がGVへの変形に与える影響が懸念されていた．そこで，デバイスに接続する配管の幾何的配置を工夫し，任意のタイミングで逆流させずに流れ場を停止（瞬停と呼ぶ）可能にした．MFDによる高精度の外環境制御という利点をそのままに，流れ場のあるときと無いときとを比較できるようになった（2019年8月国際学会発表予定）．さらに，捕捉したGVでの自己再生産動態の創出に係る網羅的条件検討を念頭に，MFD実験の機械支援型実験プラットフォームを実装した（2019年11月国際学会発表予定）．さらに本プラットフォームで見出された新規のGV動態について，現在論文投稿中である．
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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
現在までの進捗により，マイクロ流体デバイス（MFD）内部でジャイアントベシクル（GV）の定常的な自己再生産動態を創出・観察するという，本研究課題の実現に向けた実験基盤を整備できたと評価している．具体的には，6種類の候補分子を用いて，多数のGVを形成できる条件を見出した．さらにMFDの表面修飾により当該GVをMFD内部に捕捉可能とした．さらに，筆者が実装した機械支援型のMFD実験プラットフォームは，今後自己再生産動態を創出するに当たって予想される，膜分子前駆体の濃度や種類，添加タイミングの検討において，網羅的な探索を実現する．また，実験の自動化により，定量性，統計性を兼ね備えた実験的知見を効果的に蓄積する基盤が整ったと評価できる．加えて，MFD内の流れ場の瞬停は，MFD実験に付随する力学刺激という内在的アーティファクトを大きく低減し，従来のバッチ計測に類似した観測環境をも実現できる．
筆者は，この機械支援型実験プラットフォームを開発する中で，GV内部への物質輸送について，従来知られていない透過現象を見出した．この発見は，本研究課題の着想点となった，自己再生産動態に伴う経時的な内水相の希釈という問題について，まったく異なるアプローチからの解決につながる可能性がある．特に，この現象は筆者の開発した自動実験システムがあったからこそ，発見・評価できたものであり，国際競争力の高い成果と位置づけられる．
以上のことから，本研究はおおむね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに，本研究課題で目指すジャイアントベシクル（GV）の自己再生産動態に適用可能な膜分子・膜分子前駆体の合成を完了し，これらのリン脂質を主成分として球形GVを効率よく得る作製法，さらに，申請者の開発したマイクロ流体デバイス（MFD）にこのGVを捕捉可能であることが明らかになっている．しかし，MFD中でGVの自己複製現象を観察するためには，流れ場の設計や膜分子前駆体の濃度において課題が残されている．そこで，本年度は，まずこの検討を最重点項目として取り組む．マイクロ流体デバイス中で，膜分子前駆体の添加によりGVが変形することを観察し，その成果を原著論文として発表する．
また，昨年度確立したMFDでのGV動態の自動計測システムは，上述した濃度・組成条件の網羅的検討に際して強力な基盤技術となると期待される．したがって，本システムのさらなる精緻化，拡張を目指す．配管の幾何配置を工夫しながら，PC制御可能なポンプ，バルブを増設し， 8×8種類の溶液をそれぞれ任意の濃度で混合し，MFD内に捕捉したGVへ送達可能にする．
また、光刺激により水溶性モノマーへ分解する新規の水溶性ポリマーの合成については，昨年度に引き続き取り組む．具体的には，オリゴエチレングリコールで連結されたアンモニウムイオン型の親水的置換基をもつ 2,4,5－トリフェニルイミダゾールを，高濃度条件においてフェリシアン化カリウムにより酸化した分子を想定している．このポリマーをリン脂質GVに内包し、光刺激に対する変形挙動を観測して，ポリマーの光反応とGV動態との関係を明らかにする．
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