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人工多細胞型ゲノム複製システムの構築

公募研究

研究領域分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築
研究課題/領域番号 21H05867
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅳ)
研究機関東京大学

研究代表者

水内 良  東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (60845535)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2022年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワード人工細胞 / 多細胞 / ゲノム複製 / RNA / 無細胞翻訳系 / 分子通信 / 液―液相分離 / 分子ビーコン / 再構成
研究開始時の研究の概要

本研究では、液-液相分離によって形成する液滴を人工細胞として用い、独立の液滴に封入された2種類のRNAゲノムが、液滴間の情報伝達を介して協調的にゲノム複製する、人工多細胞型ゲノム複製システムを構築する。これにより、複数の人工細胞を同期させて統合する基盤を開発し、また複雑で解析が困難である細胞集団の進化等について研究するための新規の実験モデルの創出に繋げる。

研究実績の概要

本研究では、液-液相分離によって形成する液滴を人工細胞として用い、独立の液滴に封入された2種類のRNAゲノムが、液滴間の情報伝達を介して協調的にゲノム複製する、人工多細胞型ゲノム複製システムの構築を目指す。前年度までに、異なるタンパク質をコードした2種類のRNAゲノムと無細胞翻訳系を液滴に封入し、それらが翻訳を介してゲノム複製する実験系を確立した。さらに、それらのRNAゲノムを異なる液滴に封入した場合、通常の条件では反応中に液滴同士が融合してゲノムが混合してしまうが、特定のタンパク質を加えた場合に液滴が安定化されることを見出した。本年度はまずこの安定化効果について追求を行った。その結果、安定化は液滴内でのタンパク質のアミロイド線維化により引き起こされることを見出した。さらに安定化した液滴の分子透過能を調査したところ、10 kDa程度までの分子を効率よく透過できるとわかった。次に、2種類のRNAゲノムが異なる液滴に分離したまま複製することを実証するために、RNAゲノム複製を顕微鏡下で直接検出する手法の開発に取り組んだ。具体的には、複製で合成される相補鎖に特異的に結合する分子ビーコンを構築し、またその配列を最適化した。しかし、RNAゲノムは強固な二次構造を形成するため、通常の一本鎖DNAを用いた分子ビーコンでは、最適化しても反応条件下での検出感度には限界があった。そこで主鎖構造を改変したビーコンを新たに設計することで、RNAゲノム複製を高感度に直接検出する技術を開発した。実際、特定のRNAゲノムが複製した液滴だけを判別できるようになった。以上から、人工多細胞型ゲノム複製の基盤技術が整った。今後、安定化した液滴の分子透過能を調整すれば、任意の分子の伝達を介したゲノム複製を実現できるはずである。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 4件、 招待講演 7件)

  • [雑誌論文] Experimental evidence for the correlation between RNA structural fluctuations and the frequency of beneficial mutations2022

    • 著者名/発表者名
      Maeda Yutaro、Mizuuchi Ryo、Shigenobu Shuji、Shibai Atsushi、Kotani Hazuki、Furusawa Chikara、Ichihashi Norikazu
    • 雑誌名

      RNA

      巻: 28 ページ: 1659-1667

    • DOI

      10.1261/rna.079291.122

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Plausible pathway for a host-parasite molecular replication network to increase its complexity through Darwinian evolution2022

    • 著者名/発表者名
      Kamiura Rikuto、Mizuuchi Ryo、Ichihashi Norikazu
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 18 号: 12 ページ: e1010709-e1010709

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1010709

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuuchi, R., Furubayashi, T., Ichihashi, N
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1 ページ: 1460-1460

    • DOI

      10.1038/s41467-022-29113-x

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 原始生命を模した分子複製システムの進化と改良2021

    • 著者名/発表者名
      水内 良
    • 雑誌名

      Viva Origino

      巻: 49 号: 3 ページ: 10

    • DOI

      10.50968/vivaorigino.49_10

    • NAID

      130008130254

    • ISSN
      0910-4003, 1346-6933
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Relaxed Substrate Specificity in Qβ Replicase through Long-Term In Vitro Evolution2021

    • 著者名/発表者名
      Yukawa, K., Mizuuchi, R., Ichihashi, N
    • 雑誌名

      Life

      巻: 12 号: 1 ページ: 32-32

    • DOI

      10.3390/life12010032

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Mineral surfaces select for longer RNA molecules: implication for prebiotic evolution2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emergence and Darwinian evolution of RNA replicators2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      Interdisciplinary Origin of Life Meeting for Early Career Researchers (IOoL2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 安定化した液滴での翻訳とRNA自己複製:人工多細胞の構築に向けて2022

    • 著者名/発表者名
      水内良、市橋伯一
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会 15.0
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Compartmentalization for RNA replication and evolution2022

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] From emergence to Darwinian evolution of RNA replicators2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      NASA Center for the Origin of Life meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA複製システムと生命の起源2022

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      学術変革領域(A)分子サイバネティクス 第10回領域セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA複製体のダーウィン進化による複雑化2022

    • 著者名/発表者名
      水内良、古林太郎、市橋伯一
    • 学会等名
      第46回 生命の起原および進化学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Evolutionary complexification of a replicase-encoding RNA replicator2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      The XIXth International Conference on the Origin of Life
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA自己複製体と寄生体の長期共進化2021

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      日本微生物生態学会第34回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Evolutionary complexification of an artificial RNA replication system in a cell-like compartment2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi、Taro Furubayashi、Norikazu Ichihashi
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会 14.0
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Evolutionary complexification of an artificial RNA replication system2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi, Taro Furubayashi, Norikazu Ichihashi
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 人工RNA複製体の進化と人工細胞と生命の起源2021

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      人工細胞モデル&分子ロボティクス 第2回研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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