2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25247070
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
今井 正幸 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60251485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐久間 由香 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40630801)
浦上 直人 山口大学, 理工学研究科, 准教授 (50314795)
鈴木 健太郎 神奈川大学, 理学部, その他 (60512324)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | プロトセル / ベシクル / 化学刺激 / 膜分子合成 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本基盤研究では、分子集合体（ベシクル）がプロトセルと呼ばれる最小限の生命機能を有するシステムへと発展する機構の解明を目指している。平成２６年度は１）ベシクルの機能発現を化学的に制御する機構、２）ベシクルの自己生産過程のシミュレーション、３）膜分子合成系と結合したベシクルの自己生産系の開発を中心に研究を進めた。
１）ベシクルの機能発現を化学的に制御する機構：外部からの化学刺激に応答して変形、駆動、融合などの様々な生命機能に関連したダイナミクスを示すベシクル系の開発とその機構の解明を行った。特に重要なのは化学刺激により膜分子の表面張力や分子断面積が変化することにより、様々な機能を化学的に制御できることが明らかになったことである。また、そのような変形を３次元解析することにより、そのキネティクスを定量的に評価し、flip-flopの速度定数・イオン結合による分子断面積の定量化などの物理的なパラメーターの定量化も可能なことを明らかにした。
２）ベシクルの自己生産過程のシミュレーション：全原子モデルから粗視化モデルまで幅広く扱える分子動力学法を用いて、今までのモデル実験から明らかになっているシリンダー型と逆コーン型の2種類の脂質分子で構成したベシクルの自己生産過程をシミュレーションした。ベシクルが球状から棒状、ダンベル型に変形するに伴い、逆コーン型の脂質が内側に多く分布する傾向が観察された。
３）膜分子合成系と結合したベシクルの自己生産系の開発：昨年度構築した、種々の疎水鎖を持つホモ型リン脂質の合成法を利用して、本年度は、様々な化学反応の起点となり得るベンズアルデヒド部位を疎水部末端に持つリン脂質を合成することに成功した。この脂質が水中で形成するベシクルは、分散媒として純水を用いた場合不安定であったが、嵩高い置換基を有するアミンの水溶液を用いた場合は安定であった。
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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
本計画研究は、ソフトマター物理（実験とシミュレーション）および合成化学の連携により、分子集合体（ベシクル）がプロトセルと呼ばれる最小限の生命機能を有するシステムへと発展する機構の解明を目指している。計画研究全体としては、今までほとんど知られていなかった分子集合体への化学作用により、様々なダイナミクスが誘起されることが明らかになり、そのようなダイナミクスの中には生命機能と密接な関係があるベシクルの融合や成長が含まれている。また、その過程のシミュレーションによるモデル化や、その知見を利用した合成化学の立場からの分子設計など、今までのソフトマター物理にはないアプローチが発展しており、全体として計画は順調に進んでいる。各プロジェクトの達成状況は以下に示す。
１）ベシクルの機能発現を化学的に制御する機構：ベシクルの駆動、変形、融合などの基本的な機能を支配する機構がほぼ明らかになり、さらに予備的な検討によりベシクルのfeedingによる成長の可能性も視野に入ってきた。このような化学刺激によるベシクルダイナミクスの制御の道筋が見えてきたのは大きな進歩である。
２）ベシクルの自己生産過程のシミュレーション：当初からベシクルの分裂をシミュレーションで再現することは難しいことが予想されている中で、様々な問題点を順調に解決することができているため。
３）膜分子合成系と結合したベシクルの自己生産系の開発：提案書に記載した分子を合成することに成功した。また、導入した疎水部末端の置換基が、設計通り、アミン類とイミン結合が形成可能なことも確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度であるので、ここの研究を進めながらそれらを統合してベシクルからプロとセルへの道の一里塚を築く。最大の目標は外部からの分子供給（化学刺激）を利用して自己生産するベシクル系の開発である。今までの研究から、どのようにすれば外部の分子を膜内に取り込むことができるのか、その分子をどのように設計すればいいのか、自己生産するためには取り込まれた分子がどのように振る舞えばいいのかが見えてきた。これらの情報を統合して、自己生産するベシクル系の開発を進める。
１）ベシクルの機能発現を化学的に制御する機構：昨年度、脂肪酸ベシクルを特定のpH環境下におくと、溶液中の脂肪酸分子を吸収して(feeding)、ベシクルが成長する現象を予備的に見出した。この現象をうまく利用して分子供給系を有するベシクルの自己生産系の構築を目指す。このアプローチの中でベシクルが自己生産するための物理的条件を明確にし、シミュレーション、合成化学からのアプローチと統合してプロトセルへの道を一歩進める。
２）ベシクルの自己生産過程のシミュレーション：分子動力学シミュレーションにより、シリンダー型と逆コーン型の2種類脂質分子で構成されたベシクルの分裂過程の再現を行う。また、同時にベシクル内部にゲスト分子を配置することで、ベシクルの形状変化過程を調べる。そして、ゲスト分子によりベシクルの形状変化と分裂の関係を明らかにする予定である。
３）膜分子合成系と結合したベシクルの自己生産系の開発：合成した分子からなるベシクルにアミン類を添加した際の、形態変化を顕微鏡観察する。さらに、二分子膜内での化学反応の効率を、分光学的手法で明確にし、ベシクル形態と化学反応との関連性を調べる。これと平行して、この分子系からなる自己生産系の構築に必要な双頭極性型脂質を合成する。
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Research Products
(41 results)
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[Presentation] リン脂質ベシクルの化学駆動2015
Author(s)
兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋, Nicolas Puff, Miglena I. Angelova
Organizer
新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」研究会「アクティブ・マター研究の過去・現在・未来」
Place of Presentation
東北大学、仙台
Year and Date
2015-03-14 – 2015-03-15
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[Presentation] Constructive Approach towards a Vesicle-based Protcell2014
Author(s)
T. Sugawara, M. Matsuo, K. Kurihara, T. Toyota, K. Suzuki
Organizer
Origins2014, 2nd ISSOL – The International Astrobiology Society and Bioastronomy (IAU C51) Joint International Conference
Place of Presentation
Nara-ken New Public Hall, Nara
Year and Date
2014-07-06 – 2014-07-11
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