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分子夾雑が引き起こす生命システム動態転移の構成的な理解

公募研究

研究領域分子夾雑の生命化学
研究課題/領域番号 18H04565
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

藤原 慶  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20580989)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワード合成生物学 / 高分子混雑 / 細胞サイズ空間 / 細胞再構成 / 無細胞転写翻訳系 / システム生物学 / 反応拡散 / 転写翻訳 / 分子混雑 / 人工細胞
研究実績の概要

申請者らが試験管内再構成した①解糖系と転写翻訳系のカップリング系と②細胞分裂面決定系を材料に、分子夾雑が生命システムの動態を変化させるメカニズムを明らかにする研究である。本研究により明らかになる分子夾雑と生命システム動態の関係を通し、生命システムの制御における分子夾雑の生理的意義に迫ることを目的とした。
①に関して、細胞サイズ空間では表面積体積比の高さゆえ、弱い膜結合タンパク質においても細胞膜への局在が優勢となる現象と、分子夾雑が強い膜結合を担うタンパク質のみが結合できるよう調整していることを見出した(eLifeに報告)。本成果により、細胞のような小さな空間では、分子夾雑が細胞膜との相互作用のレベルを調節していることが示された。
②に関して、低分子動態、高分子量などの指標を頼りに様々な検討を行い、低分子基質が組み合わせ生命システムのダイナミクスを劇的に変化させる現象が存在することを見出した。さらに、意図しない高分子機能の夾雑が解糖系と転写翻訳系の共役を円滑にするという、生命システム共役と分子夾雑の新たな関係を導きだした。この結果を生化学シミュレーションにより説明することに成功している。本成果は、単なる分子の夾雑を超えた、生命システムの夾雑特異的な現象の発見であり、「分子夾雑の生命化学」の理解に貢献するものである。
さらに①と②を融合した研究である、再構成された転写翻訳系を用い、Min波を人工細胞中で制御する研究を行った。「分子夾雑の生命化学」の解析から得られた情報を利用して人工細胞中に物理的な時空間パターンを再現・制御することが可能であることを示し、Chemical Scienceに報告した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Cell-sized confinement controls generation and stability of a protein wave for spatiotemporal regulation in cells2019

    • 著者名/発表者名
      Kohyama Shunshi、Yoshinaga Natsuhiko、Yanagisawa Miho、Fujiwara Kei、Doi Nobuhide
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 8

    • DOI

      10.7554/elife.44591

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Regulation of spatiotemporal patterning in artificial cells by a defined protein expression system2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Aoi、Kohyama Shunshi、Fujiwara Kei、Nishikawa Saki、Doi Nobuhide
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 10 号: 48 ページ: 11064-11072

    • DOI

      10.1039/c9sc02441g

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 細胞システムの再構成から見えてきた夾雑要素の効果2019

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      第16回21世紀大腸菌研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 分子夾雑は細胞内システムを制御する2019

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      第9回CSJ化学フェスタ2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 無細胞転写翻訳で創る人工細胞内の時空間パターン変化2019

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会12.0
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 解糖系と転写翻訳系の共役条件の解明2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会12.0
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高濃度大腸菌抽出液を無細胞転写翻訳の低分子依存性解析2019

    • 著者名/発表者名
      高橋勝紀、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] His・HiBiT・SUMO の3Tag を利用したタンパク質群の一括精製法の確立2019

    • 著者名/発表者名
      山分皓太、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] オペロン構造における発現量比は試験管内と細胞サイズ空間で異なるか?2019

    • 著者名/発表者名
      西川早紀、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 精製因子によるゲノム転写翻訳系の再構成2019

    • 著者名/発表者名
      松井ゆきの、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 人工細胞内におけるMin 波の発生条件のMinE 変異体を用いた解析とPURE システムを用いたMin 波の再構成2019

    • 著者名/発表者名
      光山隼史、吉田葵、西川早紀、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 再構成された解糖系でPURE systemを動かす2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第14回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 細胞を創る:細胞分裂面決定機構の人工細胞内再構成2018

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 解糖系を駆動力とした無細胞転写翻訳系の構築2018

    • 著者名/発表者名
      木下紗希、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第13回無細胞生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] グルコースを選択的に取り込み代謝する人工細胞2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      「細胞を創る研究会」11.0
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 解糖系を駆動力とした無細胞転写翻訳系の再構成2018

    • 著者名/発表者名
      木下紗希、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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