Elucidation of physics underlying spatiotemporal pattern formation in cell size spaces

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01875
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Fujiwara Kei 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20580989)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 義永 那津人 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (90548835)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 生物物理 / 合成生物学 / ソフトマター物理学 / 人工細胞 / 反応拡散系

Outline of Final Research Achievements

Nonlinear waves generated by reaction-diffusion coupling (reaction-diffusion wave) is a mechanism underlying molecular placement within cell. However, analysis of reaction-diffusion waves in cell-size space is challenging due to its complexity, and therefore, verification by model experiments was needed. In this study, we used a system that generates reaction-diffusion waves in artificial cells and investigated the characteristics and principles of reaction-diffusion waves in cell-size space. Through the 3-year research, We elucidated the characteristics of the reaction-diffusion wave adjusting its shape according to the spatial size and the mechanism controlling the motion of the wave.

Free Research Field

合成生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果により、従来大きな空間での振る舞いのみが解析されてきた反応拡散波が、細胞のような小さな空間でどのような性質を示すか、が導かれた。この成果は生物の細胞において分子の配置がどのように決定するか、という理学的な知見だけでなく、細胞サイズの空間をどのように制御するかという材料科学・工学的に重要な知見ももたらす。将来的にはナノ・マイクロ空間における自在な分子配置につながり、生命から医薬・化学品の創成原理まで広く波及することが期待される。