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高分子水-水ミクロ相分離により自己生成する細胞モデル:構造と機能の再構成

研究課題

研究課題/領域番号 21K15057
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
研究機関東京大学 (2022-2023)
同志社大学 (2021)

研究代表者

作田 浩輝  東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (30876206)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワード水-水相分離 / ミクロ液滴 / 細胞モデル / 人工細胞 / 自発運動 / 細胞骨格 / モータータンパク質 / 高分子混雑効果 / リポソーム
研究開始時の研究の概要

生体の細胞はDNA、RNAやタンパク質などの生体高分子を高濃度に含有する水溶液である。生物は高分子が混雑した環境で、「部品」となる生体分子をどのようなメカニズムで適材適所に配置し、機能が構築されるのかといった課題に対する研究は初歩的な段階に留まっている。本研究では、高分子の水-水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を目指す。生体から抽出した分子や細胞内小器官を用いた細胞構造の再構成や生命機能の構築が溶液の単純な混合により自律的に行われる実験系の確立をする。本研究の進展により、細胞の秩序構造の形成や機能の原理の解明に迫ることが期待できる。

研究実績の概要

生体の細胞の内部はDNA、RNAやタンパク質などの生体高分子を高濃度に含有する水溶液の環境である。生物は高分子が混雑した環境で、「部品」となる生体分子をどのようなメカニズムで適材適所に配置し、機能が構築されるのかといった課題に対する研究は初歩的な段階に留まっている。本研究では、高分子の水-水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を通して、細胞における生体分子の秩序構造の形成や機能のメカニズムの解明に迫る。生体から抽出した分子や細胞内小器官を用いた細胞構造の再構成や生命機能の構築が溶液の単純な混合により自律的に行われるモデル実験系の確立を目指し研究を展開してきた。
本年度は、高分子の水-水相分離によるミクロ液滴系(相分離ミクロ液滴)に対して外部から濃度勾配を与えた場合に液滴が自発的に運動し、内部に取り込まれる分子により運動の速度を制御できることを明らかにした。これまでの研究で相分離ミクロ液滴系に対してDNAを共存させると数kbp以上の長鎖のDNAが液滴の内部に取り込まれることを見出していた。また、相分離ミクロ液滴の外部溶液に濃度勾配を与えると液滴は濃度勾配の前後方向に界面張力の勾配が生じるためMarangoni流により自発的に運動することが知られている。本年度の研究成果として、このような自発運動する液滴に対してDNAを取り込ませると、その局在有無により液滴の運動速度が異なることを明らかにした。このような速度の変化はDNAの液滴内部の有無に限らず共存塩によるCoil-Globule転移によっても引き起こされることを明らかにしている。本成果は、液滴内外の対流などの物理量の詳細な計測を行い、現在、国際論文誌に投稿中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、高分子の水-水相分離によるミクロ液滴を用いて、生体から抽出した分子や細胞内小器官の再構成や生命機能の構築が自律的に行われる実験系の確立を目指している。
本年度は、前年度の生体細胞内で運動を形成するモータータンパク質を用いた研究と対流が誘起する自発運動現象として比較対象となるような、界面張力の勾配によって生じる自発運動について研究を進めた。成果として、このような自発運動現象が内部に局在するDNAなどの分子の有無やその分子状態に起因して変化することを明らかにした。高分子の相分離ミクロ液滴系が自発的に駆動する報告は現在においても少なく、相分離が生じるような高分子で混雑した細胞環境と運動性に関して重要な知見を与えると考える。また、界面張力勾配に起因するMarangoni流により運動する相分離ミクロ液滴の内部に局在する分子の状態で液滴の運動が変化することを明らかにしたが、他のモータータンパク質系などでも同様の現象が生じるのか、新たな課題として検討の余地がある。

今後の研究の推進方策

次年度以降も、高分子の水-水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を通して、細胞における生体分子の秩序構造の形成や機能のメカニズムの解明に迫る予定である。本年度は、生体細胞の機能の一つとしてモータータンパク質による運動系を確立した。次年度は、運動機能のメカニズムの解明に迫るため、液滴の界面張力の変化にともなう運動系やモータータンパク質による運動系を発展させて、共存分子の高分子の相分離、混雑による流動・運動に対する影響を検討する予定である。さらに、運動系以外には、DNA/RNAからのタンパク質の発現などのような生体分子の働きについても再構成細胞モデルの確立を試みながら高分子の相分離現象との関連性を明らかにしていく。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] 膜で覆われた高分子液滴に見られる細胞サイズの空間効果2024

    • 著者名/発表者名
      柳澤実穂, 作田浩輝
    • 雑誌名

      化学工学

      巻: 88 ページ: 158-161

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Self-emergent vortex flow of microtubule and kinesin in cell-sized droplets under water/water phase separation2023

    • 著者名/発表者名
      Sakuta Hiroki、Nakatani Naoki、Torisawa Takayuki、Sumino Yutaka、Tsumoto Kanta、Oiwa Kazuhiro、Yoshikawa Kenichi
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 6 号: 1 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1038/s42004-023-00879-5

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 液液相分離が見せる細胞骨格と核酸と脂質の離合集散2023

    • 著者名/発表者名
      Kingo TAKIGUCHI, Hiroki SAKUTA, Masahito HAYASHI, Tatsuyuki WAIZUMI, Kanta TSUMOTO, Kenichi YOSHIKAWA
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 63 号: 1 ページ: 5-11

    • DOI

      10.2142/biophys.63.5

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Polymerization/depolymerization of actin cooperates with the morphology and stability of cell-sized droplets generated in a polymer solution under a depletion effect2021

    • 著者名/発表者名
      Waizumi Tatsuyuki、Sakuta Hiroki、Hayashi Masahito、Tsumoto Kanta、Takiguchi Kingo、Yoshikawa Kenichi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 7 ページ: 075101-075101

    • DOI

      10.1063/5.0055460

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Emergence of uniform linearly-arranged micro-droplets entrapping DNA and living cells through water/water phase-separation2021

    • 著者名/発表者名
      Shono Mayu、Ito Ritsuki、Fujita Fumika、Sakuta Hiroki、Yoshikawa Kenichi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 23570-23570

    • DOI

      10.1038/s41598-021-02990-w

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 動く相分離液滴:共存するDNAの構造転移に伴うパターンと移動速度の変化2024

    • 著者名/発表者名
      古木智大, 作田浩輝, 田渕辰悟, 嶋本大祐, 柳澤実穂
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 液液相分離液滴で再構成する細胞様構造2024

    • 著者名/発表者名
      作田浩輝
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 相分離液滴に局在するDNAの鎖長に対する分配依存性2024

    • 著者名/発表者名
      赤嶺柚希, 作田浩輝, 市橋伯一, 柳澤実穂
    • 学会等名
      定量生物学の会 第十一回年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 液ー液相分離で形成する細胞サイズ空間における生体分子の自己組織化2024

    • 著者名/発表者名
      作田浩輝
    • 学会等名
      溶液化学研究会若手の会 第3回冬季発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 水/水相分離ミクロ液滴に局在する微小管・キネシンの自発的対流生成2024

    • 著者名/発表者名
      作田浩輝、中谷真規、鳥澤嵩征、住野豊、湊元幹太、大岩和弘、吉川研一
    • 学会等名
      第11回ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 共存する DNA のコイル・グロビュール転移による自走液滴の運動制御2024

    • 著者名/発表者名
      古木智大, 作田浩輝, 田渕辰悟, 嶋本大祐, 柳澤実穂
    • 学会等名
      第11回ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 相分離ミクロ液滴への生体分子の局在とダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      作田浩輝
    • 学会等名
      第22回 関東ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Self-Emerging Vortex Flow of Microtubule/Kinesin in the Microdroplet of Water/Water Phase Separation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Sakuta, Naoki Nakatani, Takayuki Torisawa, Yutaka Sumino, Kanta Tsumoto, Kazuhiro Oiwa, Kenichi Yoshikawa
    • 学会等名
      The 7th Internatinal Soft Matter Conference (ISMC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microtubule-kinesin complexes spontaneously generate vortex flow in the cell-sized droplets created by water/water phase separation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Sakuta, Naoki Nakatani, Takayuki Torisawa, Yutaka Sumino, Kanta Tsumoto, Kazuhiro Oiwa, Kenichi Yoshikawa
    • 学会等名
      第 61 回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 液-液相分離によるαシヌクレインのアミロイド線維形成2023

    • 著者名/発表者名
      三間穣治, 山口圭一, 作田浩輝, 中島吉太郎, 吉川研一, 後藤祐児
    • 学会等名
      第10回日本アミロイドーシス学会学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Myosin or its fragments influences F-actin dynamics and deformation of droplets under2023

    • 著者名/発表者名
      Waizumi Tatsuyuki, Sakuta Hiroki, Kikumoto Mahito, Hayashi Masahito, Tsumoto Kanta, Takiguchi Kingo, Yoshikawa Kenichi
    • 学会等名
      第 61 回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Self-emergence of cell-like structure in microdroplet generated through the liquid/liquid phase separation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Sakuta
    • 学会等名
      11th ELSI Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 自己創生し規則配列する水/水相分離液滴:DNAや細胞の自発的取り込み2022

    • 著者名/発表者名
      庄野 真由、伊藤 立樹、藤田 ふみか、作田 浩輝、塩井 章久、吉川 研一
    • 学会等名
      日本化学会第102回春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 高分子混雑溶液中での水/水ミクロ相分離による細胞様構造の自発的生成2021

    • 著者名/発表者名
      藤田 ふみか、作田 浩輝、湊元 幹太、剣持 貴弘、貞包 浩一朗、吉川 研一
    • 学会等名
      第72回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Self-organization of protocell ac-companied by micro phase segregation in a crowding solution2021

    • 著者名/発表者名
      Fumika Fujita、Hiroki Sakuta、Kanta Tsumoto、Koichiro Sadakane、Takahiro Kenmotsu、Kenichi Yoshikawa
    • 学会等名
      20th IUPAB Congress, 45th Annual SBBf Meeting, and 50th Annual SBBq Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-generation of cell-like structure through water/water micro phase-separation in a crowding macromolecular solution2021

    • 著者名/発表者名
      Fumika Fujita、Hiroki Sakuta、Kanta Tsumoto、Koichiro Sadakane、Takahiro Kenmotsu、Kenichi Yoshikawa
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spontaneous Construction of Cellular Assembly through Aqueous/Aqueous Micro Phase-Separa- tion2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Sakuta、Ritsuki Ito、Mayu Shono、Fumika Fujita、Kenichi Yoshikawa
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 同志社大学生命医科学部 生命物理科学研究室

    • URL

      https://dmpl.doshisha.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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