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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Conversion between mechanical power and information of intracellular reaction-diffusion wave

Publicly Offered Research

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 22H04851
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

藤原 慶  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20580989)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Keywordsソフトマター / 時空間パターン / 細胞サイズ空間 / 反応拡散系 / 合成生物学
Outline of Annual Research Achievements

細胞内反応拡散波(iRDs)は、化学反応と分子拡散の共役によって創発され、細胞内での分子の位置情報を規定する。最近の研究により、iRDs自体が細胞内の情報を力学に変換する機構である証拠が集まってきているが、その実態は未解明である。本研究では、申請者らが構築したiRDsの1つであるMin波を安定的に人工細胞内で発生させる系を用い、化学エネルギーによって形成されるiRDsが細胞サイズの空間で情報と力学の変換を担うメカニズムと効率を理解することを目的としている。
本研究の開始段階で、思いがけず細胞内の位置情報を決定する反応拡散波であるMin波がATPだけでなくdATPも利用して発生することが可能であることを見出した。そのため、本年度前半はその解析に注力した。反応論的な解析をしたところ、ATPとdATPいずれの場合も反応サイクルに相当する加水分解が同程度であり、Min波を形成するエネルギーは同程度であると見積もられた。一方、ATPと比較してdATPでは半分の周期になるように、パターンの特徴が異なるため、エネルギー散逸の仕方が異なることが示唆された。両者を混合することで段階的にMin波の周期を制御できたことから、位置形成における新規手法として論文にまとめ、ACS Nano誌に報告した。力への変換を検証するため、この両者の系において、Min波が示す周辺分子を輸送させる能力を検証したところ、ATPとdATPの周期の違いに合わせて周辺分子の輸送速度も変化することが明らかになった。これらの結果は、エネルギー散逸の仕方により位置情報が持つ力に差が生じる可能性を示唆した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では項目として、(1)Min波の構成要素であるMinDが消費する化学エネルギー(ATP)がどう分配されているかに着目し、細胞内反応拡散波に内在する情報と力学への変換効率を理解する、(2)Min波と細胞骨格タンパク質FtsZの相互制御に着目して情報と力学の変換を理解する、(3)申請者らが見出したMin波の細胞サイズスケーリング効果とその性質、移動波と局在波の制御系を利用し、空間スケールや波のモードに応じた情報-力学変換効率の理解を行う、の3つを設定した。(1)に関してはATPとdATPにおける散逸構造の違いから一定の理解を行うことができた。(2)に関しても、Min波と細胞骨格タンパク質FtsZの相互制御に着目した研究は系を立ち上げるに至っている。(3)は空間スケールと情報-力学変換効率に関係がありそうなデータまでは得ている。思いがけない発見から予定通りの計画とはずれが生じたが、目的達成を軸とすると着実に進行しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

上記の(2)と(3)を中心に研究を進める。特に、細胞骨格や膜上混雑によるモードや波の性質の変化、空間サイズにおける分子輸送効果の違いを理解することを軸に検証を進める。

  • Research Products

    (4 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (3 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Controlling the Periodicity of a Reaction-Diffusion Wave in Artificial Cells by a Two-Way Energy Supplier2022

    • Author(s)
      Takada Sakura、Yoshinaga Natsuhiko、Doi Nobuhide、Fujiwara Kei
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 16 Pages: 16853~16861

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c06756

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 細胞反応拡散波が示す情報・力学変換の理解2023

    • Author(s)
      藤原慶、髙田咲良
    • Organizer
      新学術領域「生命の情報物理学」第六回領域会議
  • [Presentation] 2種のエネルギー供給源による人工細胞内反応拡散波の制御2023

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      新学術領域「生命の情報物理学」第六回領域会議
  • [Presentation] 細胞内反応拡散波の人工細胞再構成系で探る細胞空間の時空間パターン形成原理2022

    • Author(s)
      藤原慶
    • Organizer
      定量生物学の会 第10回年会
    • Invited

URL: 

Published: 2023-12-25  

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