原始自己複製体の機能的再構成により生命の初期進化を追体験する

• 研究課題/領域番号: 15KT0080
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 構成的システム生物学
• 研究機関: 東京大学 (2018-2019); 大阪大学 (2015-2017)
• 研究代表者: 市橋 伯一 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (20448096)
• 研究期間 (年度): 2015-07-10 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2016年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2015年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: RNA / 進化 / 生命の起源 / 協力関係 / 共進化 / 実験進化 / 協力関係の進化 / 分子進化 / 自己複製RNA / 協力 / 複製 / NDK / ハイパーサイクル / 再構成 / RNA複製 / 生命の初期進化 / 翻訳システム

研究成果の概要

本研究では、どうやって原始的な自己複製RNAが機能を増やして複雑化しえたのかを明らかにするために、2種類の異なる機能を持ち、2種類が協力しないとどちらも増えないようなRNAを設計し、実際に長期進化実験を行うことにより、RNA間の協力関係がどうやったら維持され、さらに発展していくのかを検証した。その結果、重要なのは細胞のような区画構造と、その中の平均的なRNA濃度、さらにRNAの希釈頻度であることを理論的および実験的に示した。本研究成果により、原始のRNA複製体が協力関係を維持して機能を増やしていくための条件を明らかにすることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

単純な化合物からどうやって生命が生まれたのかは、人類に課された大きな謎のひとつである。本研究では、原始の生命体の実験モデルをつくってみて、実際に試験管内で進化させてみることにより生命誕生の秘密を明らかにすることを試みた。生命がうまれるためには多くの機能を進化させる必要があり、そのためには異なる機能を持ったRNAが協力して働く必要があると言われている。本研究ではどうやったらRNA間の協力関係が安定になるのかを明らかにすることができた。本研究結果は、生命が誕生するための条件としてRNAの濃度や攪拌の程度が重要だと示した。この結果により、生命の誕生場の条件を絞り込むことができるだろう。

研究成果

• [雑誌論文] A Fusion Method to Develop an Expanded Artificial Genomic RNA Replicable by Qβ Replicase (2019)
  • 著者名/発表者名: Ueda Kensuke、Mizuuchi Ryo、Matsuda Fumio、Ichihashi Norikazu
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 20 号: 18 ページ: 2331-2335
  • DOI: 10.1002/cbic.201900120
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural transition of replicable RNAs during in vitro evolution with Qβ replicase (2019)
  • 著者名/発表者名: Mizuuchi Ryo、Usui Kimihito、Ichihashi Norikazu
  • 雑誌名: RNA 巻: 26 号: 1 ページ: 83-90
  • DOI: 10.1261/rna.073106.119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automated in vitro evolution of a translation-coupled RNA replication system in a droplet flow reactor (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyama Tomoaki、Ichii Tetsuo、Yomo Tetsuya、Ichihashi Norikazu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 11867-11875
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30374-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sustainable replication and coevolution of cooperative RNAs in an artificial cell-like system (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizuuchi Ryo、Ichihashi Norikazu
  • 雑誌名: Nature Ecology & Evolution 巻: 2 号: 10 ページ: 1654-1660
  • DOI: 10.1038/s41559-018-0650-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sustainability of a compartmentalized host-parasite replicator system (2018)
  • 著者名/発表者名: Furubayashi, T., Ichihashi, N.
  • 雑誌名: Life 巻: 8 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.3390/life8010003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Combinatorial selection for replicable RNA by Qβ replicase while maintaining encoded gene function (2017)
  • 著者名/発表者名: Yumura, M., Yamamoto, N., Yokoyama, K., Mori, H., Yomo, T., Ichihashi, N.
  • 雑誌名: Plos ONE 巻: 12 号: 3 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0174130
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A transcription and translation-coupled DNA replication system using rolling-circle replication (2015)
  • 著者名/発表者名: Sakatani, Y., Ichihashi, N., Kazuta, Y., Yomo, T.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Periodic Pattern of Genetic and Fitness Diversity during Evolution of an Artificial Cell-Like System (2015)
  • 著者名/発表者名: Ichihashi, N., Aita, T., Motooka, D., Nakamura, S., Yomo, T.
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution 巻: 32 ページ: 3205-3214
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replication of partial double-stranded RNAs by Qbeta replicase (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomita, K., Ichihashi, N., Yomo, T.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 467 ページ: 293-296
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A design principle for a single-stranded RNA genome that replicates with less double-strand formation (2015)
  • 著者名/発表者名: Usui, K., Ichihashi, N., Yomo, T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 43 ページ: 8033-8043
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Making an artificial cell capable of Darwinian evolution (2019)
  • 著者名/発表者名: Norikazu Ichihashi
  • 学会等名: BDR symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental evolution of self-replicating RNAs with spontaneously-appeared parasites (2018)
  • 著者名/発表者名: Norikazu Ichihashi
  • 学会等名: 46th Naito Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sustainability and evolvability of cooperative RNAs in an artificial cell-like system (2018)
  • 著者名/発表者名: Norikazu Ichihashi
  • 学会等名: Biophysics Society Annual Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Experimental evolution of self-replicating RNAs with spontaneously-appeared parasites (2018)
  • 著者名/発表者名: Norikazu Ichihashi
  • 学会等名: EVOLUTION Genetic Novelty/Genomic Variations by RNA Networks and Viruses
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evolution of a self-replicable RNA, the roles of compartment, parasites, and hypercycle (2017)
  • 著者名/発表者名: Norikazu Ichihashi
  • 学会等名: International Conference The Origin of life
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Host-parasite oscillation dynamics and evolution in a compartmentalized RNA replication system (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Bansho , T. Furubayashi , N. Ichihashi
  • 学会等名: XVIIIth International Conference on the Origin of Life
  • 国際学会
• [学会発表] 実験進化で探る 物質から生命への進化可能性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 市橋 伯一
  • 学会等名: 生命の起源と進化学会
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesizing an evolvable replication system from bacterial components (2016)
  • 著者名/発表者名: Ichihashi N.
  • 学会等名: Synthetic biology workshop
  • 発表場所: 奈良先端科学技術大学院大学（奈良県・生駒市）
  • 年月日: 2016-03-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 人工RNA複製システムの構築と寄生体との共進化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 市橋伯一
  • 学会等名: 進化学会年会
  • 発表場所: 中央大学（東京都・文京区）
  • 年月日: 2015-08-20
  • 招待講演
• [図書] 協力と裏切りの生命進化史 (2019)
  • 著者名/発表者名: 市橋伯一
  • 総ページ数: 240
  • 出版者: 光文社
  • ISBN: 9784334044008