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Elucidation of physics underlying spatiotemporal pattern formation in cell size spaces

Research Project

Project/Area Number 20H01875
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

藤原 慶  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
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Keywordsソフトマター / 反応拡散系 / 細胞サイズ空間 / 人工細胞 / 合成生物学 / 時空間パターン
Outline of Research at the Start

細胞内反応拡散波は、非線形波が細胞サイズの閉鎖空間を移動する点に特徴があるが、微小サイズと閉鎖性ゆえに実験系の確立が困難であった。しかし、申請者らが確立した「人工細胞内で細胞内反応拡散波を発生させる系」により実験と理論を対応させた研究が展開可能となっている。そこで本研究ではこの系を利用し、細胞の時空間構造の物理や、細胞サイズ空間で創発される特異な現象の理解から、生命の細胞サイズの空間における時空間パターン形成原理を導く。

Outline of Annual Research Achievements

人工細胞を用いた実験系と、実モデルと縮約変数モデルの反応拡散方程式を用いた理論系を組み合わせ、生命の時空間パターンを決定する細胞内反応拡散波の物理を完成させることを目的としている。これまでバクテリアの細胞分裂面を決定するMinタンパク質系を用いて、その反応拡散波(Min波)を人工細胞内にて安定的に発生させる実験系の構築に成功し、(1)人工細胞の直径と波の形状・速度に相似性が現れること(空間相似性)、(2)球形人工細胞では楕円形の生細胞で見られる極間振動波でなく移動波が主となること(形状依存性)、(3)反応パラメータの変動に対して、波の性質が安定であること(性質の安定性)を見出していた。

本年度は主に(2)に関して研究を進めた。球形人工細胞においても極間振動波が安定的に存在することに注目し、どのようなパラメータで極間振動波が安定して出現するかを検討した。結果、MinDの膜結合と膜解離のバランスが釣り合い、膜解離が優勢となりパターンが消失する転移領域の近傍において極間振動波が出現することが示された。また、パラメータバランスを大きく変化させる温度変化により、極間振動波と移動波を遷移させることに成功した。同時に、これらの波のモード転移にはヒステリシスが見られることを示した。これらの内容は論文として投稿し、現在改訂中である。

(1)と(3)についても空間相似性にともなう波長の固定化が(3)で見られる波の性質の安定性の理由であることを見出した。理論と合わせ、現在論文執筆中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ほぼ全ての項目が完成に近づき、さらには当初の想定になかった局在波と移動波のモード切替における重要な知見を得たため。

Strategy for Future Research Activity

実験では形状依存性の理解を一番のターゲットとして進める。また、得られた結論を論文にまとめると同時に、付随して発見した現象についても研究を遂行する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(11 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Conformational equilibrium of MinE regulates the allowable concentration ranges of a protein wave for cell division2020

    • Author(s)
      Shunshi Kohyama, Kei Fujiwara, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi
    • Journal Title

      Nanoscale

      Volume: 12 Pages: 11960-11970

    • DOI

      10.1039/d0nr00242a

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Shaping dynamic and static patterns in artificial cells by modulating reaction-diffusion coupling of Min system2022

    • Author(s)
      Sakura Takada, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi, Kei Fujiwara
    • Organizer
      Active Matter Workshop 2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Reaction-diffusion wave of Min proteins reconstituted in artificial cells by defined elements2021

    • Author(s)
      Kei Fujiwara
    • Organizer
      Pacifichem2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞内の時空間制御とMinシステムが細胞サイズの空間で創発するタンパク質の波とその相の分子メカニズム2021

    • Author(s)
      藤原慶、義永那津人、光山隼史、吉田葵、西川早紀、土居信英
    • Organizer
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Min 波の極間振動の人工細胞内再構成2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第17回大腸菌研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Robustness and plasticity of spatiotemporal patterning by a reaction-diffusion wave entrapped in protocells2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第59回生物物理学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内時空間パターンを司るMin波が示す空間サイズの制御とその原理2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞サイズ空間において反応拡散波が示す形状安定性の原理2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第20回関東ソフトマター研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工細胞内の時空間パターンを操る:極間振動波と移動波の制御2021

    • Author(s)
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第5回分子ロボティクス年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 反応拡散共役により現れるMin波の示す空間サイズ相似性2020

    • Author(s)
      高田咲良、光山隼史、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第19回関東ソフトマター研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞内時空間パターンを制御するMin波が示す空間サイズ相似性2020

    • Author(s)
      高田咲良、光山隼史、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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