2020 Fiscal Year Annual Research Report
Physics of the cellular symmetry breaking and the non-equilibrium interface driven by molecular motors
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19J20035
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
坂本 遼太 九州大学, 理学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 非平衡物理学 / アクティブ・マター / 細胞運動 / 人工細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
創傷治癒やがん転移に関わる細胞運動では，力生成を行うモータータンパク質と，力を空間的に伝える線維状タンパク質から成る「アクトミオシン細胞骨格」が不可欠な機能を担う．しかし生きた細胞には数万種ものタンパク質が含まれる複雑な環境であり，その物理的な理解は困難であった．本研究では，アクトミオシンを細胞程度の大きさの油中液滴カプセルに封入することで単純化した「人工細胞」を構築し，液滴の自発運動が生じるメカニズムを探求した．本研究は細胞運動のような高度に組織化された運動が生じるメカニズムにシンプルな物理的理解を与えると期待される．
アクトミオシンを封入した油中液滴の界面に，アクチンを結合する脂質膜を配列することで，界面近傍でのアクチン密度が増加した．アクチンと膜との結合を強めると収縮力のバランスが崩れ，アクトミオシンの分布が細胞内で非対称化し，アクチン流動が生じた．さらに，アクチン流動の方向とは逆向きに液滴の自発運動が生じることを発見した．一方で，膜とアクチンの結合がない場合に，アクトミオシンに絡めとられた磁気ビーズに磁力を与えて分布を外的に非対称化しても運動は生じないことから，膜界面とのアクチン結合を通じて収縮力を基板に伝達していることが示唆された．加えて，液滴を挟む基板の間隔を変えることで液滴の接着面積を変化させると，液滴は基板により強く拘束されるほど速く運動することから，基板との接着面積が力の伝達に関わることを示した．液滴と基板との接着面積に働くアクチン流動の摩擦力と，運動する液滴に働く周囲の流体からの抵抗力のつり合いを記述する理論モデルを構築し，実験で見られる液滴の運動速度の幾何学的依存性を再現することで，自発運動のメカニズムに物理的理解を与えた．これらの研究結果は現在論文としてまとめており，近日中に投稿予定である．
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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
本研究の目標である，細胞の対称性の破れを伴う物理学の解明は着実に成果を上げている．初年度は，細胞の変形や運動を担うアクトミオシン細胞骨格を液滴カプセルに封入し，界面に生体膜の構成要素であるリン脂質を配列することで細胞環境を模した「人工細胞」を構築した．細胞内で形成される細胞核様の構造物の位置対称性が破れるメカニズムを，ソフトマターの物理的原理から解明することに成功し，その研究成果は生命現象から非平衡物理へまたがる新しい理解を与えた．
二年目には，細胞核配置の対称性が破れた細胞運動との類似性に着目し，運動する人工細胞の実現に成功した．細胞運動は創傷治癒からがん転移まで広範な生命現象の基礎を成している．この人工細胞の運動原理を探り，運動の実現には二つの因子，１．膜界面と細胞骨格の結合力，および，２．基板との接着面積，によって，力が基板に伝達されることが重要であることを実験的に示した．さらに，液滴を基板に挟み込み，液滴が狭い空間を移動する際の幾何学的依存性を，液滴の駆動力と流体の抵抗力のつり合いを記述する流体力学の理論モデルから説明することに成功し，アクトミオシン細胞骨格が細胞外に力を伝達する力学的メカニズムに重要な理解を与える研究成果が得られている．
今年度はさらに，細胞内で生じる「波」の物理学を探求する．アクトミオシンの波は細胞分裂や細胞運動にも関わるが，細胞内の複雑さからその非線形現象としての物理的性質には謎が多い．特に本研究では，膜との結合力や弾性の変化に伴い，同心円状の波．回転する波，流れ星のようなスポット状の波を見出している．これらの非線形現象を解明することで，細胞核配置や運動の対称性，さらには波の非線形物理までに広がる理解を与えることが期待でき，本研究は当初の計画以上の広がりを見せている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，伝搬する波や回転する波などの非線形現象が現れる物理的メカニズムを探求する．アクトミオシンを液滴に閉じ込めると，リング状のアクトミオシンの波が約45秒周期で発生し，液滴の中心へ向かって収縮する現象を見出した．周期的に発生する波の時間発展や，波が発生する非線形性の条件を理解するため，波の周期的発生を記述する理論モデルを構築する．アクトミオシンの収縮現象をアクティブ・ゲル理論を用いて記述し，分子の反応拡散方程式と連立させて解くことで，波の不安定性が現れる分岐構造を明らかにする．
さらに，アクトミオシンと液滴界面の結合を強固にすると，液滴の中心を軸にして回転する波が現れる現象を見出している．特に，回転波の発生には，液滴をスライドガラスで挟むことで円盤系にすることが必要である．回転波が現れる条件を解明するため，アクトミオシンと液滴界面の結合を脂質分子の濃度で変化し，液滴の大きさとスライドガラスの間隔を変化することで，回転波が現れる物理的条件の相図を作成する．さらに，液滴の大きさや形を自在に制御できる微小流体デバイスに液滴を封入し，液滴形状（局所的な曲率）や膜弾性が回転波に与える影響を明らかにする．
次に，膜界面を弾性膜として扱う理論モデルを構築し，アクトミオシンと膜との結合力の強さ，膜弾性の大きさによって，回転波が現れる分岐構造を解明する．線形安定性解析，および数値計算によって分岐図を作成し，実験結果の相図を定量的に説明する．さらに，波と基板の間の摩擦力を取り入れることにより，波の伝搬が基板に及ぼす摩擦力を駆動力として進む液滴の自発運動を再現し，波の伝搬と液滴の運動を包括的に説明する理論体系を確立する．以上の研究から，アクトミオシンという生体分子モーターが，膜界面との相互作用によって自己組織化を行い，細胞核配置の対称性や細胞形状の対称性が破れる非平衡物理学の全容を解明する．
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Research Products
(9 results)
