2021 Fiscal Year Annual Research Report
シミュレーションと進化実験による宿主と寄生体の競争・共存のフェーズ遷移の理解
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20J21802
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
上浦 六十 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 生命の起源 / 生物物理 / シミュレーション / 多様性 / フェーズ遷移 / 生物進化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、in vitro実験とin silicoシミュレーションを組み合わせ、自己複製可能な宿主分子と自己複製ができず宿主から複製される（複製資源を奪う）寄生体分子の集団サイズダイナミクスが、激しい振動と緩やかな振動を行き来するメカニズムを明らかにすることを目指す。
まず、シミュレーションによって宿主が多様化した場合において、集団サイズダイナミクスが緩やかになることを明らかにされた。すなわち、宿主と寄生体が競争する状態から、新たな宿主系列が発生し、宿主-宿主-寄生体相互作用が生まれることが重要であると分かった。さらにこの際、新たに生まれた宿主は寄生体に対する耐性を獲得する（寄生体を複製しない）様に進化することが重要であると分かった。
次に、過去に行われた複製体分子の進化実験において、シミュレーションによるこの予測に合う現象が起こっていたかを確認した。この進化実験では、RNA複製酵素遺伝子を持ったRNAと無細胞翻訳系を組み合わせた系（RNA再構成系）を用いており、この系ではRNAをもとに翻訳された複製酵素で、RNAが複製される。この複製酵素遺伝子を持ったRNAは宿主分子であり、複製酵素遺伝子を失い、短くなることでより複製される様になったものが寄生体分子である。得られた配列を解析すると、RNA濃度のダイナミクスが緩やかになる段階で、確かに宿主が２系列に分かれていたことが分かった。さらに生理学的解析を行うと、この２系列の一方のみが寄生体を増やさない様に進化していた。
以上の結果は、単純なシステムが安定性と複雑性を両立する際に満たされなければならない条件を示している。例えばこれは、生命の起源から現存の生命を繋ぐ初期条件である可能性がある。
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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
これまでの進化実験における集団サイズダイナミクスの状態遷移メカニズムについて、in vitro実験とin silicoシミュレーションの両方を用いて明らかにすることができた。これは、当初の予定とおおよそ同じ進捗である。
シミュレーションにおいては、より多くの条件や試行回数を用意して行う必要性があるかもしれない。しかしこれは、スーパーコンピューターを用いることで解決が可能であり、すでに使用申請を完了している。そのため、今後の進捗に影響はないと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
RNA再構成系の進化実験では最近、３体（宿主-宿主-寄生体）相互作用より複雑な５体相互作用が生じることが示された。そこで今後、本研究では３体より複雑な相互作用が維持されるための条件およびその相互作用における集団サイズダイナミクスの性質を明らかにする。
まず、これまで用いてきた３体相互作用のシミュレーションモデルを、４体の相互作用を考慮できる様に改良する。さらに、新たな変異体（宿主あるいは寄生体）が出現し、固定されるまでのプロセスを導入し、進化シミュレーションモデルとする。このシミュレーションモデルを用いて、複雑な相互作用が維持されるか、そして維持された相互作用がどの様な形状であるかを明らかにする。
さらに進化シミュレーションで得られた相互作用の性質を、反応係数や集団サイズへの摂動解析をもって明らかにする。
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