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細胞反応拡散波が示す情報・力学変換の理解

公募研究

研究領域情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
研究課題/領域番号 22H04851
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
審査区分 複合領域
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), 准教授 (20580989)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
キーワードソフトマター / 時空間パターン / 細胞サイズ空間 / 反応拡散系 / 合成生物学 / 人工細胞
研究開始時の研究の概要

細胞内反応拡散波(iRDs)は、化学反応と分子拡散の共役によって創発され、細胞内での分子の位置情報を規定する。最近の研究により、iRDs自体が細胞内の情報を力学に変換する機構である証拠が集まってきているが、その実態は未解明である。本研究では、申請者らが構築したiRDsの1つであるMin波を安定的に人工細胞内で発生させる系を用い、化学エネルギーによって形成されるiRDsが細胞サイズの空間で情報と力学の変換を担うメカニズムと効率を理解することを目的とする。本研究の達成により、反応拡散共役による細胞内の自発的な分子配置が内在する情報の物理が明らかになる。

研究実績の概要

細胞内反応拡散波(iRDs)は、化学反応と分子拡散の共役によって生じるマクロ構造パターンであり、細胞内での分子の位置情報を規定する原理として提案されている。本研究では、これまでに我々が構築したiRDsの1つであるMin波を安定的に人工細胞内で発生させる系を用い、化学エネルギーによって形成されるiRDsが細胞サイズの空間で情報と力学の変換を担うメカニズムと効率を理解することを目的とした。
昨年までに、細胞内の位置情報を決定する反応拡散波であるMin波が、ATPだけでなくdATPも利用して発生することが可能であること、ATPとdATPではエネルギー散逸の仕方が異なることを示唆し、ACS Nano誌に報告した。本年度は細胞膜上の構造体同士の相互作用とMin波の関係を追及した。膜状構造体をとして、適切な末端を設計することで相互作用の強さを調節可能なDNA origamiによるナノ構造を用いた。結果、DNA origamiとMin波の成分は相互作用しないにも関わらず、DNA origami同士の相互作用の強さがMin波の動態を大きく転移させることを見出した。このことは、これまでMin波を含む反応拡散波によって制御されていると考えられていた細胞骨格の重合が反応拡散波の動態に影響を与えることを示唆した。 すなわち、分子位置を規定する反応拡散波と力を生み出す細胞骨格の関係は、主従関係ではなくお互いに影響を与える複雑な相互作用によってなりたっていることが示唆された。
また、この成果はとは別に、細胞内の分子集団が持つ弱い相互作用をゼロではなく存在するものと仮定すると、細胞空間における分子位置制御に細胞内の高濃度多分子成分が重要であることを実験と理論の両面から実証し、Advanced Science誌に報告した。これらの成果は、分子位置の情報と力学変換のメカニズムの完全なる理解へとつながるものである。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022

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 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Multimolecular Competition Effect as a Modulator of Protein Localization and Biochemical Networks in Cell‐Size Space2023

    • 著者名/発表者名
      Nishikawa Saki、Sato Gaku、Takada Sakura、Kohyama Shunshi、Honda Gen、Yanagisawa Miho、Hori Yutaka、Doi Nobuhide、Yoshinaga Natsuhiko、Fujiwara Kei
    • 雑誌名

      Advanced Science

      巻: 11 号: 6 ページ: 2308030-2308030

    • DOI

      10.1002/advs.202308030

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlling the Periodicity of a Reaction-Diffusion Wave in Artificial Cells by a Two-Way Energy Supplier2022

    • 著者名/発表者名
      Takada Sakura、Yoshinaga Natsuhiko、Doi Nobuhide、Fujiwara Kei
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 16 号: 10 ページ: 16853-16861

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c06756

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Min波によるDNA origamiの人工細胞内非対称配置法の確立2024

    • 著者名/発表者名
      大里美緒、髙田咲良、土居信英、佐藤佑介、藤原慶
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 人工細胞内反応拡散波を創る・動かす・制御する2024

    • 著者名/発表者名
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 細胞内反応拡散波は空間サイズによりスケールする2024

    • 著者名/発表者名
      髙田咲良、光山隼史、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」終了報告会・第8回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Behaviors and characteristics of intracellular Reaction-diffusion wave revealed by a reconstitution system in artificial cells2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Fujiwara
    • 学会等名
      International workshop: Complex motile matter from single agents to collective behaviors
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cell-size space effects on a reaction-diffusion wave for cell center determination revealed by artificial cell experiments using defined factors2023

    • 著者名/発表者名
      Kei Fujiwara
    • 学会等名
      Staphys28 satellite meeting: Statistical Physics and Information-Processing in Living Systems
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] エネルギーによる動きと形:人工細胞系に創る反応拡散共役パターン2023

    • 著者名/発表者名
      髙田咲良、藤原慶
    • 学会等名
      第46回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞空間の反応拡散系:閉ざされた空間に出現する散逸構造の特徴とその制御2023

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞反応拡散波が示す情報・力学変換の理解2023

    • 著者名/発表者名
      藤原慶、髙田咲良
    • 学会等名
      新学術領域「生命の情報物理学」第六回領域会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 2種のエネルギー供給源による人工細胞内反応拡散波の制御2023

    • 著者名/発表者名
      髙田咲良、義永那津人、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      新学術領域「生命の情報物理学」第六回領域会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 細胞内反応拡散波の人工細胞再構成系で探る細胞空間の時空間パターン形成原理2022

    • 著者名/発表者名
      藤原慶
    • 学会等名
      定量生物学の会 第10回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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