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2013 年度 実績報告書

ソフトマターから人工細胞への物理的アプローチ

計画研究

研究領域ゆらぎと構造の協奏:非平衡系における普遍法則の確立
研究課題/領域番号 25103009
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

研究機関東北大学

研究代表者

今井 正幸  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60251485)

研究分担者 菅原 正  神奈川大学, 理学部, 教授 (50124219)
豊田 太郎  東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (80422377)
佐久間 由香  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40630801)
研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2018-03-31
キーワード人工細胞 / ベシクル / 自己複製 / 遺伝情報分子 / 触媒作用 / 自己駆動
研究概要

本計画研究では、基本的分子群を用いて遺伝情報分子を複製しながら増殖するモデル膜(ベシクル型人工細胞)や化学反応を利用して自己駆動するベシクルなど、生命系に特徴的な機能を基本的な分子群で再現し、その物理的な機構を解明することにより人工細胞への道を探る事を目的としている。
ベシクル型人工細胞:我々の自己複製ベシクルで、DNAの増幅とベシクルの肥大・分裂とが連携する理由として、増幅したDNAと、カチオン性膜脂質および両親媒性触媒Cとが複合体を形成し、酵素的な機能を果たしていることが挙げられる。そこで、この複合体の組成と膜内での局在性を調べるために、PEGを担持したリン脂質を添加したGVを調製し、励起エネルギーの異なる蛍光色素を複合体の各成分に担持し、蛍光エネルギーの移動実験を行ない、近傍に触媒Cを侍らせたDNA-膜分子複合体が、2分子膜の外膜と内膜の中間にまで潜り込んでいることを明らかにした。
また、自己複製の機構を明らかにする目的で、自己複製過程を3次元的に追跡し、変形過程の3次元解析を行なう手法を確立した。分子供給系を含まないモデル自己複製ベシクル系での変形は、膜弾性モデルの記述と定量的に一致し、2分子膜内での両親媒性分子の非対称分布が鍵になる事を明らかにした。
分子集合体の自己駆動:細胞サイズの分子集合体が水中を遊走するメカニズムとして,分子集合体の構成分子と環境中の分子やイオンとのミクロな相互作用が重要である。そこで本研究では、駆動しながら形態変化し駆動方向を定める多重膜ジャイアントベシクルの構築を目的とした。酢酸エチルを媒介としてホォスファチジルコリンで多重膜ジャイアントベシクルを形成し、これに高濃度界面活性剤を添加すると、ジャイアントベシクルは変形と駆動の協同現象をみせることを見出した。

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

ベシクル型人工細胞の構築に向けて、上記のように遺伝情報分子と膜分子および触媒分子の複合体として活性センターを作り、自己複製に重要な役割を果たすと言う非常に大きな知見が得られた。また、コンベイヤベシクルによる養分補給により、繰り返し自己生産するベシクルが構築された。また、GVに内封するDNAの鎖長と、膜分子添加後のベシクルの形態変化に相関があることを示唆する結果が得られつつある。更に自己複製過程の物理的解明に繋がる3次元画像解析法とその理論モデルの構築にも成功し、その物理的な機構解明に大きな一歩を記した。
一方、自己駆動現象においても、従来報告されていないジャイアントベシクルの変形と駆動の協同現象を見出したことは、研究目的に合致した成果といえるが、この現象の分子レベルのメカニズム解明が今後望まれる。

今後の研究の推進方策

ベシクル型人工細胞の構築に向けては、遺伝情報分子(DNA)を内包したカチオン性膜分子を含む自己生産ベシクルにおいて、内包したDNA分子の長さにより、自己生産過程が変調を受ける事がわかってきた。そこで、カチオン性膜分子を含むベシクルの自己生産ダイナミクスにおけるDNA鎖長の効果を検証するために、1)ベシクル内部に鎖長の異なる鋳型DNAを内封する、2)ベシクル膜に添加する、ポリエチレングリコール(PEG)鎖をもつ脂質(DSPE-PEGn)の濃度やPEG鎖長を変化させる、といった2通りの摂動を加え、膜前駆体添加により誘発される膜のBudding様変形が、ベシクル外部に向けて起こり分裂(Division)を誘起するか、内部に向けて起こりNestingを誘起するかの頻度を、共焦点レーザー走査型顕微鏡観察により精査する。さらに、共焦点顕微鏡観察から得られた3次元画像を解析することにより、ベシクル変形機構を決定する幾何学的パラメーターを抽出する。昨年度の分子供給系をもたない自己生産ベシクルにおける結果と比較することにより、この人工細胞モデルにおける自己生産の機構を解明する。
また、ジャイアントベシクルの自己駆動を分子レベルで理解するには、変形と駆動を詳細に計測する必要がある。そこで、ノイズとなる分散液中の流れ場を低減する半透膜観測チャンバー系を新たに構築し、変形が駆動に果たす役割を明らかにする。また、この変形・駆動現象はジャイアントベシクルの溶解を伴うことが課題となっている。そこで、反応活性界面活性剤を用いることで、ジャイアントベシクルが駆動しながら構成分子を外部から補給できる系を構築する。ジャイアントベシクルに自ら駆動して外部環境との分子のやりとりを行わせることで、自己駆動を長時間化するとともに、変形・駆動現象に内在する膜分子組成の分布とダイナミクスとの関係を明らかにすることを目指す。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (22件) (うち招待講演 9件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Morphological variation of a lipid vesicle confined in a spherical vesicle2014

    • 著者名/発表者名
      A. Sakashita, M. Imai, and H. Noguchi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 89 ページ: 040701(1-4)

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.89.040701

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Spontaneous transformation from micelles to vesicles associated with sequential conversions of comprising amphiphiles within assemblies2014

    • 著者名/発表者名
      K. Takakura, T. Yamamoto, K. Kurihara, T. Toyota, K. Ohnuma and T. Sugawara
    • 雑誌名

      Chem. Commun.

      巻: 50 ページ: 2190-2192

    • DOI

      10.1039/C3CC47786J

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 分子システムとしてつくる人工細胞2014

    • 著者名/発表者名
      菅原 正, 鈴木 健太郎, 栗原 顕輔, 豊田 太郎
    • 雑誌名

      豊田研究報告

      巻: 67 ページ: 1-8

  • [雑誌論文] 自らが増殖する人工細胞の化学構築2014

    • 著者名/発表者名
      菅原 正, 鈴木 健太郎
    • 雑誌名

      高分子

      巻: 63 ページ: 1-3

  • [雑誌論文] Tubular Membrane Formation of Binary Giant Unilamellar Vesicles Composed of Cylinder and Inverse-Cone-Shaped Lipids2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Sakuma, T. Taniguchi, T. Kawakatsu, and M. Imai
    • 雑誌名

      Biophys. J.

      巻: 105 ページ: 2074-2081

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2013.09.021

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Delayed response of interfacial tension in propagating chemical waves of the Belousov-Zhabotinsky reaction without stirring2013

    • 著者名/発表者名
      R. Tanaka, T. Nomoto, T. Toyota, H. Kitahata, M. Fujinami
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 117 ページ: 13893-13898

    • DOI

      10.1021/jp4079458

    • 査読あり
  • [学会発表] Chemophoresis of Neutral Phospholipid Vesicle

    • 著者名/発表者名
      A. Kodama, Y. Sakuma, M. Imai, T. Kawakatsu, N. Puff, and M. I. Angelova
    • 学会等名
      International Workshop “From Soft Matter to Protocell”
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Binary Lipid Vesicles Having Functions of Protocell

    • 著者名/発表者名
      Y. Sakuma, T. Jimbo and M. Imai
    • 学会等名
      International Workshop “From Soft Matter to Protocell”
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Chemophoresis of Vesicle

    • 著者名/発表者名
      A. Kodama, Y. Sakuma, M. Imai, T. Kawakatsu, N. Puff and M. I. Angelova
    • 学会等名
      Workshop on Cross Correlation & Transport Phenomena in Soft Matter
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Approach to Evolvable Protocell

    • 著者名/発表者名
      T. Sugawara
    • 学会等名
      International Workshop “From Soft Matter to protocell”
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Artificial Cell Viewed as a Molecular System

    • 著者名/発表者名
      T.Sugawara
    • 学会等名
      Okazaki Institute for Integrative Bioscience, Summer School 2013
    • 発表場所
      Okazaki, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Emergence of Active Site for Self-reproducing Dyanmics in Vesicle-based Protocell

    • 著者名/発表者名
      T.Sugawara
    • 学会等名
      The 2nd Interanational Symposium on Dyanmical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Intergerated Functions
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Artificial Cell Constructed as a Molecular System

    • 著者名/発表者名
      T. Sugawara
    • 学会等名
      第7回分子科学討論会
    • 発表場所
      京都
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子システムとしての人工細胞

    • 著者名/発表者名
      菅原 正
    • 学会等名
      豊田理化学研究所第13回 フェロー研究報告会
    • 発表場所
      長久手
    • 招待講演
  • [学会発表] 外的刺激により繰り返し自己増殖するベシクル型人工細胞

    • 著者名/発表者名
      菅原 正
    • 学会等名
      第2回NINS Colloquium 自然科学の将来像
    • 発表場所
      掛川
    • 招待講演
  • [学会発表] 自発曲率と相分離の結合によるベシクルのチューブ構造形成

    • 著者名/発表者名
      佐久間 由香,谷口 貴志,川勝 年洋,今井 正幸
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
  • [学会発表] Drastic deformation of phospholipid vesicles coupled with chemophoresis

    • 著者名/発表者名
      兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
  • [学会発表] ベシクルの自己生産の三次元画像解析

    • 著者名/発表者名
      神保岳大, 佐久間由香, 浦上直人, Primoz Ziherl, 今井正幸
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
  • [学会発表] リン脂質ベシクルの化学駆動

    • 著者名/発表者名
      兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋
    • 学会等名
      第3回ソフトマター研究会
    • 発表場所
      東京
  • [学会発表] ベシクルの自己生産の三次元画像解析

    • 著者名/発表者名
      神保岳大, 佐久間由香, 浦上直人, Primoz Ziherl, 今井正幸
    • 学会等名
      第3回ソフトマター研究会
    • 発表場所
      東京
  • [学会発表] ベシクルの自己生産の三次元画像解析

    • 著者名/発表者名
      神保岳大, 佐久間由香, 浦上直人, Primoz Ziherl, 今井正幸
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      神奈川
  • [学会発表] カルボン酸とイミダゾリウムを有する双性イオン型両親媒性分子によるジャイアントベシクル形成

    • 著者名/発表者名
      大倉優作、栗原顕輔、豊田太郎、高倉克人、景山義之、鈴木健太郎、菅原正
    • 学会等名
      第24回基礎有機化学討論会
    • 発表場所
      東京
  • [学会発表] 紫外線照射によって運動を開始する自走性油滴

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎、菅原正
    • 学会等名
      「太陽光活用を基盤とするグリーン/ライフイノベーション創出技術研究拠点の形成」第2回公開発表会
    • 発表場所
      横浜
  • [学会発表] モデルプロトセルのUrchin型形態変化

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征、栗原顕輔、豊田太郎、菅原正
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会6.0
    • 発表場所
      鶴岡
  • [学会発表] カルボキシレート基とイミダゾリウム基を有する双性イオン型両親媒性分子によるジャイアントベシクル形成とその膜表面電荷のpH依存性

    • 著者名/発表者名
      大倉優作、栗原顕輔、豊田太郎、高倉克人、景山義之、鈴木健太郎、菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第94春季年会
    • 発表場所
      名古屋
  • [学会発表] ポリエチレングリコール担持型ベシクルの形態変化におけるリポプレックスの効果

    • 著者名/発表者名
      栗原顕輔、菅悠美、豊田太郎、今井正幸、菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第94春季年会
    • 発表場所
      名古屋
  • [学会発表] 紫外線照射によって運動を開始する自己駆動油滴

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎、菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第94春季年会
    • 発表場所
      名古屋
  • [学会発表] DNA-膜分子複合体が誘発するジャイアントベシクル型人工細胞のUrchin型変形

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征、栗原顕輔、豊田太郎、菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第94春季年会
    • 発表場所
      名古屋
  • [備考] ソフトマター・生物物理研究室 東北大学理学研究科物理学専攻

    • URL

      http://www.bio.phys.tohoku.ac.jp/

  • [備考] Sugawara group / Kanagawa University

    • URL

      www.chem.kanagawa-u.ac.jp/~sugawara/

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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