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2016 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
研究機関東北大学

研究代表者

今井 正幸  東北大学, 理学研究科, 教授 (60251485)

研究分担者 佐久間 由香  東北大学, 理学研究科, 助教 (40630801)
菅原 正  神奈川大学, 理学部, 教授 (50124219)
豊田 太郎  東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (80422377)
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 / 情報分子 / 自己駆動
研究実績の概要

1)人工細胞の創成:GV型人工細胞の膜内に溶存し、膜分子前駆体を膜分子に変換する触媒となる酸性両親媒性分子が、膜内に陥入したDNAの近傍に局在することを、蛍光プローブの励起エネルギー移動により明らかにした。また、膜分子前駆体の加水分解速度にみられる触媒とDNAとの相乗効果は、この触媒系がデオキシリボザイムとして作用することを意味している。さらに、膜組成のアニオン性を高めたGVでは、内封DNAが同一でも、DNA増幅から膜分子前駆体添加までの飢餓時間に依存して、GVの形態変化が変化する表現型可塑性を示した。
2)膜変形を利用する自己駆動ベシクルの創成:リン脂質(DMPC)のひも状ジャイアントベシクルがオレイン酸ナトリウム水溶液中で一方向的に運動する現象や、デシルアミンのリオトロピック液晶型ひも状分子凝集体が酸性水溶液中で一方向的に運動する現象について、駆動機構の解明を進めた。DMPCベシクルは,DMPCの相転移温度以下にサンプル温度が降温すると駆動を止め,相転移温度以上に昇温すると駆動を再開した。また,デシルアミンの分子凝集体については,分子凝集体の動きが酸の濃度に依存し,至適濃度範囲があることが見出された。これらの結果は,分子凝集体表面で分子が水相へ溶解していく過程が駆動機構の支配要因であることを示唆している。
3)人工細胞系を支える物理的な機構の解明:分子供給系のある自己生産ベシクル(菅原ベシクル)の機構を3次元解析を基に検討し、そのキネティックパスウエイを明らかにした。基本的には外部からベシクル膜に供給される分子が2分子膜内の内膜と外膜にうまく分配されることにより、limiting shape への変形がもたらされている。その分配を支配する機構として膜分子前駆体と触媒との相互作用を基にした速度論的方程式を考え、実験結果と比較検討することによりその機構を検討中である。

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

本計画研究では、人工細胞の創成に向けて合成化学とソフトマター物理学の研究者が連携して挑むものである。人工細胞の根幹をなす基本的要素(自己生産・代謝・遺伝情報分子との連携・自己駆動)に関しては、おおよそ再現に成功した。特に外部から原料を輸送しそれを用いて持続的にな成長が可能な人工細胞システムや、人工細胞内に閉じ込めた情報分子と膜との相互作用により遺伝型と発現型がリンクすることも明らかにできた。また、その物理的な機構の解明も変形過程の3次元解析と膜弾性理論により詳細にわかってきた。また自己駆動に関しては、波打ち変形しながら駆動するひも状分子凝集体の創成は完成し、駆動機構に迫る実験データが揃ってきている。今後は、各要素の連携に焦点をあて、より生命らしい人工細胞系の構築に向かって研究を進める。

今後の研究の推進方策

最終年度の計画としては、その総仕上げとして以下の3つのプロジェクトについてように研究を進める。
1)人工細胞の創成:異なる遺伝情報分子(長さの異なるDNA)を内包させたベシクルを、内部の基質が枯渇しても、ベシクル輸送により基質を補うことで繰り返し自己増殖が可能な回帰型人工細胞へと発展させる。さらに内封されたDNAが情報分子(遺伝子型)として、ベシクルの自己生産の様式(表現型)と関連する相関型人工細胞を創成する。特にDNAの変異モデル系を確立し、遺伝型と表現型の相関をもつことより進化する人工細胞を目指す。
2)膜変形を利用する自己駆動ベシクルの創成:昨年度までに,界面活性剤存在下でチューブ状分子凝集体が水中を変形しながら駆動する現象を報告してきた。しかし、この現象は数分程度の間しか観測されないため、構造変形の時間発展から機構解明に迫ることが難しい。この課題を克服するため、昨年度、界面活性剤添加時に凝集体へ補充できることを目指した人工リン脂質を新たに合成した。本年度は、これを用いて一連の駆動現象を長時間継続させることで変形-駆動がカップリングする機構の本質へ迫る。
3)人工細胞系を支える物理的な機構の解明:分子供給系を備えた自己生産ベシクル系(脂肪酸ベシクル系および菅原グループが開発した自己生産ベシクル)の3次元解析を行い、膜弾性理論に基づいた解析により自己生産における分子供給の役割を明らかにする。さらに情報分子を内包した自己生産ベシクルへも解析を展開する。情報分子と膜分子の相互作用と自己生産様式の関係を明らかにし、情報がどのように表現系に現れるかを解明する。

  • 研究成果

    (41件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 2件、 招待講演 7件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Ljubljana University/Jozef Stefan Institute(Slovenia)

    • 国名
      スロベニア
    • 外国機関名
      Ljubljana University/Jozef Stefan Institute
  • [国際共同研究] Paris 6 University/Paris 7 University(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Paris 6 University/Paris 7 University
  • [国際共同研究] ETH(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ETH
  • [雑誌論文] Cycle of Charge Carrier States with Formation and Extinction of a Floating Gate in an Ambipolar Tetracyanoquaterthienoquinoid-Based Field-Effect Transistor2017

    • 著者名/発表者名
      Takuro Itoh, Taro Toyota, Hiroyuki Higuchi, Michio M. Matsushita, Kentaro Suzuki, Tadashi Sugawara
    • 雑誌名

      Chem. Phys. Lett.

      巻: 671 ページ: 71-77

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2017.01.018

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Phototaxis of Oil Droplets Comprising a Caged Fatty Acid Tightly Linked to Internal Convection2016

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Suzuki, Tadashi Sugawara
    • 雑誌名

      ChemPhysChem

      巻: 17 ページ: 3550-3558

    • DOI

      10.1002/cphc.201600273

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 走光性を示す自己駆動油滴2016

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎・菅原正
    • 雑誌名

      豊田研究報告

      巻: 69 ページ: 67-71

  • [雑誌論文] Deformable self-propelled micro-object comprising underwater oil droplets2016

    • 著者名/発表者名
      Taisuke Banno, Arisa Asami, Naoko Ueno, Hiroyuki Kitahata, Yuki Koyano, Kouichi Asakura, Taro Toyota,
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 ページ: 31292

    • DOI

      0.1038/srep31292

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 化学刺激による脂質ベシクル膜面上での孔開閉の制御2017

    • 著者名/発表者名
      佐久間由香,兒玉篤治,今井正幸
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 金属イオンにより駆動されるリン脂質ベシクルの拡散泳動2017

    • 著者名/発表者名
      兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋, Nicolas Puff, Miglena I. Angelova
    • 学会等名
      日本物理学会 第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 自己生産するベシクルの機構2017

    • 著者名/発表者名
      神保岳大, 佐久間由香,今井正幸 浦上直人 Primoz Ziherl, 菅原正
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 膜上での鋳型高分子合成が誘起するベシクルダイナミクス2017

    • 著者名/発表者名
      青木春隆, 今井正幸, 佐久間由香, Peter Walde
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] ベシクル型人工細胞での補酵素となりうるアニオン型ポリマーの合成2017

    • 著者名/発表者名
      金子萌, 松島花, 紺野春乃, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-19
  • [学会発表] 自己生産ダイナミクスを示すリン脂質ジャイアントベシクル2017

    • 著者名/発表者名
      大湊優香, 石井偉蕗, 唐沢朱音, 高橋達也, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-19
  • [学会発表] Phenotypic Plasticity Intrinsic in Vesicle-based Model Protocell Emerged by Primitive Central Dogma2017

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征, 栗原顕輔, 豊田太郎, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-19
  • [学会発表] 人工細胞をつくる2017

    • 著者名/発表者名
      菅原正
    • 学会等名
      第27回神奈川大学平塚シンポジウム
    • 発表場所
      神奈川大学(神奈川県・平塚市)
    • 年月日
      2017-03-04 – 2017-03-04
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of self-reproducing vesicles2017

    • 著者名/発表者名
      Takehiro Jimbo, Yuka Sakuma, Masayuki Imai, Naohito Urakami, Primoz Ziherl
    • 学会等名
      Biophysical Society 61st Annual Meeting
    • 発表場所
      New Orleans, U.S.A.
    • 年月日
      2017-02-11 – 2017-02-15
    • 国際学会
  • [学会発表] 温度変化による自己駆動リン脂質膜の駆動-静止状態の切り替え2017

    • 著者名/発表者名
      諸橋博昭・今井正幸・豊田太郎
    • 学会等名
      アクティブマター研究会2017
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2017-01-20 – 2017-01-21
  • [学会発表] ミニマルセル - 分子集合体と生命をつなぐものー2017

    • 著者名/発表者名
      今井正幸
    • 学会等名
      液晶学会ソフトマターフォーラム第16回講演会
    • 発表場所
      東陽テクニカ本社(東京都・中央区)
    • 年月日
      2017-01-13 – 2017-01-13
    • 招待講演
  • [学会発表] 長鎖アミン/酸性溶液界面で形成・成長・運動するチューブ状分子凝集体2016

    • 著者名/発表者名
      田中雄喜,北畑裕之,豊田太郎
    • 学会等名
      第26回非線形反応と協同現象研究会
    • 発表場所
      明治大学(東京都・中野区)
    • 年月日
      2016-12-11 – 2016-12-11
  • [学会発表] 低pHの水中におけるアルキルニトリルの油滴ダイナミクスの電解質依存性2016

    • 著者名/発表者名
      羅 悠鴻,豊田太郎
    • 学会等名
      細胞を創る」研究会9.0
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都・新宿区)
    • 年月日
      2016-11-21 – 2016-11-22
  • [学会発表] ベシクル型人工細胞中で擬似酵素を作り出す荷電ポリマー2016

    • 著者名/発表者名
      金子萌, 松島花, 櫻井詞, 鈴木遼, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      第6回CSJ化学フェスタ2016
    • 発表場所
      タワーホール船橋(東京都・江戸川区)
    • 年月日
      2016-11-14 – 2016-11-16
  • [学会発表] 微小空間に封入された走光性ケージドオレイン酸油滴のダイナミクス2016

    • 著者名/発表者名
      中山直之, 鈴木健太郎, 山口和夫, 菅原正
    • 学会等名
      第6回CSJ化学フェスタ2016
    • 発表場所
      タワーホール船橋(東京都・江戸川区)
    • 年月日
      2016-11-14 – 2016-11-16
  • [学会発表] プロトセル:分子集合体と細胞の架け橋2016

    • 著者名/発表者名
      今井正幸
    • 学会等名
      最先端光計測とライフサイエンスの近未来
    • 発表場所
      東北大学(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-11-12 – 2016-11-12
    • 招待講演
  • [学会発表] Controlling dynamics of self-propelled phospholipid vesicle2016

    • 著者名/発表者名
      H. Morohashi, M. Imai and T. Toyota
    • 学会等名
      Current and Future Perspectives in Active Matter
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 年月日
      2016-10-28 – 2016-10-29
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属イオンにより駆動されるリン脂質ベシクルの拡散泳動2016

    • 著者名/発表者名
      兒玉篤治, 佐久間由香, 今井正幸, 川勝年洋, Nicolas Puff, Miglena I. Angelova
    • 学会等名
      第6回ソフトマター研究会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道・札幌市)
    • 年月日
      2016-10-24 – 2016-10-26
  • [学会発表] 温度変化によるリン脂質膜アクティブマターの運動制御2016

    • 著者名/発表者名
      諸橋博昭・今井正幸・豊田太郎
    • 学会等名
      第6回ソフトマター研究会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道・札幌市)
    • 年月日
      2016-10-24 – 2016-10-26
  • [学会発表] 遺伝子型の干渉をうける人工細胞の新展開2016

    • 著者名/発表者名
      菅原正
    • 学会等名
      新学術領域「冥王代生命学の創生」+「ゆらぎと構造の協奏」
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都・港区)
    • 年月日
      2016-10-22 – 2016-10-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 2細胞接着系の形態形成2016

    • 著者名/発表者名
      海老原隆太, 河野拓馬, 佐久間由香, 今井正幸, Primoz Ziherl
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 界面活性剤水溶液中で駆動する細胞サイズの有機アクティブマター2016

    • 著者名/発表者名
      豊田太郎
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
    • 招待講演
  • [学会発表] 吸光係数の大きなケージドオレイン酸からなる微小油滴の走光性2016

    • 著者名/発表者名
      中山直之, 鈴木健太郎, 山口和夫, 菅原正
    • 学会等名
      第27回基礎有機化学討論会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島県・広島市)
    • 年月日
      2016-09-01 – 2016-09-03
  • [学会発表] ベシクル型人工細胞の形態変化を誘発する膜分子前駆体添加における「間合い」の効果2016

    • 著者名/発表者名
      大岡寛紀, 松尾宗征, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      第27回基礎有機化学討論会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島県・広島市)
    • 年月日
      2016-09-01 – 2016-09-03
  • [学会発表] 原始細胞における膜分子生成反応の補触媒となりうるアニオン性ポリマーの合成2016

    • 著者名/発表者名
      金子萌, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      第27回基礎有機化学討論会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島県・広島市)
    • 年月日
      2016-09-01 – 2016-09-03
  • [学会発表] 自己触媒効果をもつアニオン性ジャイアントベシクルの自己生産2016

    • 著者名/発表者名
      大山翔太, 鈴木健太郎, 菅原正
    • 学会等名
      第27回基礎有機化学討論会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島県・広島市)
    • 年月日
      2016-09-01 – 2016-09-03
  • [学会発表] 階層性のあるダイナミクスが創発する分子システム2016

    • 著者名/発表者名
      菅原正
    • 学会等名
      化学最前線2016
    • 発表場所
      神奈川大学(神奈川県・平塚市)
    • 年月日
      2016-07-16 – 2016-07-16
    • 招待講演
  • [学会発表] Pore Formation in Vesicle Membranes Induced by Chemical Stimuli2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Sakuma, A. Kodama and M. Imai
    • 学会等名
      新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第3回領域研究会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-06-17 – 2016-06-19
  • [学会発表] Morphology of multi-cellular model2016

    • 著者名/発表者名
      海老原隆太, 河野拓馬, 佐久間由香, 今井正幸, Primoz Ziherl
    • 学会等名
      ゆらぎと構造の協奏 第3回領域研究会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-06-17 – 2016-06-19
  • [学会発表] Phototactic Oil-droplet with Non-linear Acceleration2016

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Suzuki
    • 学会等名
      新学術領域研究「ゆらぎと構造の協奏」 第3回領域研究会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-06-17 – 2016-06-19
  • [学会発表] ジャイアントベシクルのダイナミクスとその応用2016

    • 著者名/発表者名
      豊田太郎
    • 学会等名
      第76回分析化学討論会
    • 発表場所
      岐阜薬科大学・岐阜大学(岐阜県・岐阜市)
    • 年月日
      2016-05-28 – 2016-05-29
    • 招待講演
  • [備考] 東北大学理学研究科物理学専攻 ソフトマター・生物物理研究室

    • URL

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

  • [備考] 神奈川大学理学部化学科 菅原研究室

    • URL

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

  • [備考] 東大駒場 豊田研究室 生命有機化学

    • URL

      http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/toyota_lab/

URL: 

公開日: 2018-01-16   更新日: 2022-02-01  

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