| 研究領域 | 生物を陵駕する無細胞分子システムのボトムアップ構築学 |
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| 研究課題/領域番号 |
22H05403
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
姫岡 優介 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70903160)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-16 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2022年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
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| キーワード | 反応動力学 / 微分方程式 / PUREシステム / 化学反応動力学 / ダイナミクス / 力学系 / 数理モデル / 化学反応 / シミュレーション / ネットワーク / 無細胞翻訳系 / 人工反応系 / 化学反応ネットワーク |
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| 研究開始時の研究の概要 |
機械学習技術などの発達によって、有用化合物を合成するための化学反応経路のデザインが活発に行われるようになった。しかし、化学反応は複雑なプロセスであるため、目的物質を安定的に合成し続けるためにはどのような制御やネットワーク構造が必要かといったことについてあまり多くは分かっていない。そこで本研究では有用物質を安定的に合成する反応経路のデザイン手法の構築を目指す。
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| 研究実績の概要 |
本公募研究では、PUREシステムの数理モデルに関する研究と、大腸菌細胞の代謝動力学モデルに関する研究を行なった。
PUREシステム（以下PURE）は大腸菌の転写と翻訳に関わる分子をひとつひとつ精製したものである。PUREを使ったin vitroの転写翻訳実験系は、系を構成する分子種とその量をコントロールできる、極めて「素性の知れた」実験系となる。ePUREシステム（以下ePURE）は、試験管内で何が起こっているのかを計算機上で仮想的に再現するために構築された、PUREの数理モデルである。
一般に化学反応系は個々の酵素の最大反応速度定数などのパラメーターに応じて、最終生成物の合成速度が変化する。本研究では、ePUREにおけるポリペプチド鎖の合成速度がどのような「地形」を持っているか、大学院生と共に共同研究を行なった。
本プロジェクトで当グループでは主に以下2つの成果を得た。ひとつは、これまでePUREが正確に再現できなかった、PUREのEF-Tu初期添加量への非単調な依存性を、パラメーター最適化によって再現できるようにしたことである。また、いくつかの生化学パラメーターの変化によって、一定時間内でのポリペプチド鎖合成速度が極めて急峻に変化することを明らかにした。これらは複数の分子種が非線形に相互作用した結果起こっている現象である。このような現象への理解の深化は、本領域が目指す超越分子システムの構築において重要な理論的基盤になることが期待される。
大腸菌の代謝動力学モデルにおいては、細胞が安定的に成長している状態から代謝状態に擾乱が課されると代謝状態がどのように応答するのかを調べた。大規模な数値シミュレーションの結果、大腸菌中心代謝経路は擾乱に対して大きな応答をすることが明らかになった。また、その応答性はATPなどの補酵素と代謝ネットワークの疎結合性が重要であることが分かった。
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| 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。
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| 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。
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