2020 Fiscal Year Annual Research Report
Non-Equilibrium Thermodynamic Conditions for Emergence of Life Revealed by Minimal Cells
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20H00120
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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, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50314795)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 生命の起源 / ミニマルセル / 非平衡熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生命の最も基本的な性質；１）外部から原料を取り込み、情報分子にエンコードされた情報をもとに増殖に必要な分子群を合成する、２）合成された分子群を用いて個体を確立する膜を成長・分裂（増殖）させる、を備えた単純なシステム（ミニマルセル）を構築することにより、生命を支える物理法則を解明することを目的とする。
本年度はミニマルセルの構築に向けて、従来開発してきたAOT/PANI-ES系のプロトミニマルセルにエネルギー代謝系を接続して、原料からエネルギー分子を合成し、それを用いて情報分子を合成することに成功した。このシステムでは外部からグルコースを供給すると酵素GODを用いてエネルギー分子H2O2を合成し、このH2O2を用いてAOTベシクル上でアニリンから情報分子PANI-ESを重合する。PANI-ESは溶液中のAOT分子を選択的にAOTベシクルに取り込むことによりAOTベシクルは成長する。さらに分裂を誘起するために、ガウス曲率弾性率を制御するコレステロールを添加し成長だけではなく、分裂することも可能であることを示した。これは、代謝系を備えたはじめてのミニマルセルである。
さらに持続的な自己生産ミニマルセルの構築に向けて、面積増加と体積増加が同期したシステム構築に向けての基礎実験を進めた。浸透圧差を利用したベシクルの体積増加はいずれ限界がきて、持続的な体積増加ができないので新たにベシクル内での溶質の分解反応を利用して浸透圧差を持続的に保つシステムモデルを提案した。
また、PANI-ESの持つ情報量をシャノンの情報エントロピーを用いて定量化し、情報の起源がAOT分子とPANI-ESとの間の水素結合形成による結合エネルギーがその情報を与えていることを一般化熱力学第二法則を用いて示した。これはミニマルセル系の情報を定量的に理解する上で重要な指針であり、今後実験を通して確認していく予定である。
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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
2020年度の予定として、1) AOT/PANI-ES系プロトミニマルセルを発展させて、エネルギー生産系の導入、2) ミニマルセルが安定的に存在・増殖できるための非平衡熱力学的条件の探索、を予定していた。1)については当初の予定通りグルコースを原料としたエネルギー生産系を導入た第２世代のミニマルセルの創成に成功した。2)については第２世代のミニマルセルの反応経路を定量的に把握し、その速度論的方程式から安定的にベシクルが成長する条件を見出し、実験と比較することにより我々の数理モデルの妥当性を証明した。
以上の当初予定していた2020年度の計画に加えて、持続的に成長・分裂するミニマルセルの創成に向けて、分子供給系を改良しミニマルセルを複数回分裂させることにも成功した。また、情報分子であるPANI-ESの情報の起源をシャノンエントロピーと一般化熱力学第二法則から導くことに目処がたった。この結果は当初予定していたもの以上の結果であり、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、１）代謝・自己生産・遺伝が化学反応ネットワークで連携したミニマルセルの実験的構築、２）ミニマルセルが安定的に存在する非平衡熱力学的条件の数理科学的解明、の２つのプロジェクトからなっている。2021年度はそれぞれのテーマについて下記の研究を進める。
１）ミニマルセルの構築
本研究ではAOT/PANI-ES系プロトミニマルセルを発展させて、自律的かつ持続的なベシクルの自己生産システムを構築する。今年度は持続的なベシクルの成長・分裂を目指す。そのためにはベシクル膜の持続的な成長・分裂とベシクル体積の持続的な増加の連携が極めて重要である。課題となるのは体積の継続的な増大である。その方策として、ベシクル内に取り込んだ溶質を分解してベシクル外に排出する系の確立が重要になる。そのため、二糖分子のスクロースを取り込んでグルコースとフルコトーストして排出することにより一定の浸透圧差を維持するシステムの開発を目指す。その上で膜成長・分裂と連携させることにより持続的なベシクルの成長と分裂を実現する。
２）ミニマルセルが安定的に存在・増殖できるための非平衡熱力学的条件
前項目で議論したミニマムセルの構築に向けた実験的研究と並行して、ミニマルセルが安定的に存在・増殖できる為の条件を求める。ミニマルセルの縮約モデルにおける相互触媒的な反応スキームから求めた過剰エントロピー生成を評価関数として，この関数を最小にする反応定数の条件を求め，それを実験系と比較することで最安定の増殖が実現するための現実的な条件を求める。また、本AOT/PANI-ES系の情報量をPANI-ESのセグメントのコンフィギュレーションから求め、実験から求めた鋳型重合の結合エネルギーを比較して一般化熱力学第二法則の観点からミニマルセルにおける情報の起源を明らかにする。
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