複雑系としての生命システムの解析

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11CE2006
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 金子 邦彦 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (30177513)
• 研究分担者: 四方 哲也 大阪大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (00222399) ; 菅原 正 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (50124219) ; 浅島 誠 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (00090564) ; 安田 賢二 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助教授 (20313158) ; 川戸 佳 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (50169736)
• キーワード: 構成的生物学 / 自己複製系 / 細胞分化 / アクチビン / 記憶 / 微細加工 / 同所的種分化 / 共生

研究概要

各班で目的にそって以下の成果をあげた。
・人工複製系構築班:
人工細胞モデル複製系として、ジャイアントベシクルそのものが、膜分子変換の反応場を提供する系を幾つかの例で完成した。特に膜分子前駆体(養分)を取り込み、脱水反応により分裂するジャイアントベシクル系を構築した。これは水溶性の養分のみでベシクル分子の生産をまかなえる自己複製系である。この系では生まれた娘ベシクルに養分が入り、そこから孫ベシクルまでも産み出す。この過程を観察、複製を繰り返し行うベシクル系の構築に始めて成功した。また、情報分子を組み込みその複製と膜生成が結合した複製系を構築した。これは脂質と短鎖DNAフラグメントを共有結合でつないだ新規複合分子を設計・合成して可能になったものであり、実際に膜表面で一本鎖DNAから二本鎖DNAが生成されることを確認した。昨年までに成功したベシクル(リポソーム)内でのタンパク合成もさらに研究が進んだので、これらをふまえて、「内部で自律的に反応をしながら増殖していく人工細胞系」へと向かっている。
理論としては細胞内反応の増殖系が再帰的増殖を続けられる場合に、一般的に各成分の濃度揺らぎがガウス分布ではなく対数正規分布になることを示した。この結果を細胞内の蛍光タンパクの量のゆらぎによって確認した。一方、このような再帰的増殖が進化を通していかに可能になるか、そこでは少数しかない成分が重要な役割を果たすことを確認、昨年までに成功した試験管内での複製系での実験結果との対応をみた。
・発生過程制御班:
昨年度作成した、大腸菌にミニネットワークを持った遺伝系を用いて、細胞状態の変化の過程を追跡した。その結果、環境変化を認識する受容体やそれを伝達するネットワークがないにもかかわらず、環境に適応して遺伝子発現を変化させるという現象を発見した。これは遺伝子発現の異なった安定状態(アトラクター)のうち、より合目的的なものが選ばれるという結果である。細胞活性の変化とノイズに着目した理論を考えてこの現象を説明し、それによって新しい適応の原理を提唱した。
一方、アニマルキャップの未分化細胞からの、アクチビンなどによる組織構築はさらに進み、そこで構築した心臓などの臓器を移植すると正常に機能することも見出されてきた。特に、試験管内で作った眼球を目のないオタマジャクシに移植して成体にし、人工眼球がはっきりと機能することを確認した。また、正常発生過程の中間ステップをとびこして最終状態にいくjump-over現象については、その過程を遺伝子発現の解析により解明してきた。対応して、力学系理論によって、再帰的なパタン形成、発生過程の安定性、細胞分化の不可逆性がいかにあらわれるかの一般的論理を明らかにした。
進化については、表現型のゆらぎと遺伝子の進化速度の間の(比例)関係の理論を発表した。これは物理学での揺動散逸定理を一般化したものである。さらに、大腸菌の中に、ランダムなアミノ酸配列から作ったタンパクの合成系をくみこんだ系を用いて、蛍光の高いタンパクを合成するように進化させ、この蛍光のゆらぎと進化速度の関係について、上記理論を実験で検証した。また、大腸菌と粘菌の共生に際しても、表現型の変化とともにどのように遺伝子発現が変化しているかをマイクロアレイによって定量的に求めた。これらによって、理論、実験ともに、表現型の可塑性の変化と進化の間の一般的な関係を導いた。
・動的生命解析班:
マイクロ加工技術を駆使して、途中で操作も可能な1細胞長期培養観測装置系、観測しながら細胞を分けられる使い捨てオンチップセルソーターの開発を進めて来たが、どれも世界最高水準に達し、特許の申請も含め、実用化も進んできた。これらを用いて、神経ネットワークの構築、心筋細胞の振動の同期、細胞の分裂のゆらぎやその制御の観測も行われた。
以上の結果は、論文で発表する一方、5年間の結果を著書「生命とは何か:複雑系生命論序説」にまとめ、新しい生物学の方向性を確立した。

研究成果

• [文献書誌] Sato, A., Asashima, M., Nishinakamura, R.et al.: "Zinc finger protein Sall2 is not essential for embryonic and kidney development"Molecular and Cellular Biology. 23(1). 62-69 (2003)
• [文献書誌] Ariizumi T., Asashima, M.: "From field to gel blot : teaching a holistic view of developmental phenomena to undergraduate biology students at the University of Tokyo"Int.J.Dev.Biol.. 47. 93-97 (2003)
• [文献書誌] Yabe, S., Asashima, M.et al.: "FRL-1, a member of the EGF-CFC family, is essential for neural differentiation in Xenopus early development"Development. 130. 2071-2081 (2003)
• [文献書誌] Yokota, C., Asashima, M., J.Heasman, et al.: "A novel role for a nodal-related protein ; Xnr3 regulates convergent extension movements via the FGF receptor"Development. 130. 2199-2212 (2003)
• [文献書誌] Fukui, A., Komazaki S., Miyoshi, O., Asashima, M.: "Immunocytochemical study of activin type IB receptor (XALK4) in Xenopus oocytes"Develop.Growth Differ.. 45. 113-119 (2003)
• [文献書誌] Sogame, A., Hayata, T., Asashima, M.: "Screening for novel pancreatic genes from in vitro-induced pancreas in Xenopus"Develop.Growth Differ.. 45. 143-152 (2003)
• [文献書誌] Hino, S., Michiue, T., Asashima, M., Kikuchi, A.: "Casein kinase I,enhances the binding of Dvl-1 to Frat-1 and is essential for Wnt-3a-induced accumulation of,-catenin"J.Biol.Chem.. 278(16). 14066-14073 (2003)
• [文献書誌] Kaneko, T., Chan, T., Satow, R., Fujita, T., Asashima, M.: "The isolation and characterization of XC3H-3b : a CCCH zinc-finger protein required for pronephros development"B.B.R.C.. 308. 566-572 (2003)
• [文献書誌] Kyuno, J.-I., Fukui, A., Michiue, T., Asashima, M.: "Identification and characterization of Xenopus NDRG1"B.B.R.C.. 309. 52-57 (2003)
• [文献書誌] Okabayashi, K., Asashima, M.: "Tissue generation from amphibian animal caps"Current Opinion in Genetics & Development. 13. 1-6 (2003)
• [文献書誌] Tanaka, M, Asashima, M., Atomi, Y.: "Proliferation and differentiation of Xenopus A6 cells under hypergravity as revealed by time-lapse imaging"In Vitro Cell.Dev.Biol.Animal. 39. 71-79 (2003)
• [文献書誌] Asashima, M., Okabayasi, K.: "Current state of and outlook for organogenesis from undifferentiated cells"CORNEA. 22(7). 2-12 (2003)
• [文献書誌] Emura, T., Hashizume, K., Asashima, M.: "Experimental study of the embryogenesis of gastrointestinal duplication and enteric cyst"Pediatr.Surg.Int.. 19(3). 147-151 (2003)
• [文献書誌] Ariizumi, T., Asashima, M.et al.: "Amphibian in vitro heart induction : a simple and reliable model for the study of vertebrate cardiac development"Int.J.Dev.Biol.. 47. 405-410 (2003)
• [文献書誌] Yoshida-Koide, Asashima. M., Koide, H., et al.: "Involvement of Ras in extraembryonic endoderm differentiation of embryonic stem cells"B.B.R.C.. 313(3). 475-481 (2004)
• [文献書誌] Sedohara, A., Komazaki, S., Asashima.M: "In vitro induction and transplantation of eye during early Xeonopus development"Develop.Growth Differ.. 45(5/6). 463-471 (2003)
• [文献書誌] Fukui, Y., Asashima M., et al.: "Long-term culture of Xenopus presumptive ectoderm in a nutrient-supplemented culture medium"Develop.Growth Differ.. 45(5/6). 499-506 (2003)
• [文献書誌] Y.Hojo, S.Kawato, et al.: "Adult Male Rat Hippocampus Synthesizes Estradiol from Pregnenolone by Cytochromes P45017a and P450 Aromatase Localized in Neurons"Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.. 101. 865-870 (2004)
• [文献書誌] Shibuya_K, Kawato S., et al.: "Hippocampal cytochrome P450s synthesize brain neurosteroids which are paracrine neuromodulators of synaptic signal transduction."Biochim.Biophys.Acta. 1619. 301-316 (2003)
• [文献書誌] S.Kawato, M.Yamada, T.Kimoto: "Neurosteroids are 4th generation neuromessengers : Cell biophysical analysis of steroid signal transduction"Adv.Biophys.. 37. 1-48 (2003)
• [文献書誌] 川戸佳: "ステロイドの常識が変わる:第4世代の脳の情報伝達物質ニューロステロイド:海馬が性に関係なく男性・女性ホルモンを合成する"生化学会. 75(12). 1530-1535 (2003)
• [文献書誌] K.Takakura, T.Toyota, T.Sugawara: "A Novel System of Self-Reproducing Giant Vesicles"J.Am.Chem.Soc.. 125. 8134-8140 (2003)
• [文献書誌] K.Shohda, T.Toyota, T.Yomo, T.Sugawara: "Direct Visualization of DNA Duplex Formation on the Surface of Giant Liposome"Chem Bio Chem. 4(8). 778-781 (2003)
• [文献書誌] I.Takasu, A.Izuoka, T.Sugawara, T.Mochida: "Observation of Quantum Paraelectricity in an Intermolecular Ionic Hydrogen-Bonded Crystal of a Squaric Acid Derivative"J.Phys.Chem.. (in press).
• [文献書誌] 菅原正, 高倉克人: "自己複製ベシクル 化学で挑む細胞モデルの構築"現代化学. 386. 30-36 (2003)
• [文献書誌] 菅原正, 豊田太郎, 高倉克人, 庄田耕一郎: "自己複製するリポソーム型人工細胞を目指して-膜ダイナミクスの解明とその制御-"Bio Medical Quick Review Net. 印刷中. (2004)
• [文献書誌] Yamamoto, T., Kaneko, K.: "Tile Automaton in the well-mixed medium"Physica D. 181. 252-273 (2003)
• [文献書誌] Shibata, T., Kaneko, K.: "Coupled Map Gas : structure formation and dynamics of intreracting mobile elements with internal dynamics"Physica D. 181. 197-214 (2003)
• [文献書誌] Kataoka, N., Kaneko, K.: "Dynamical Networks in Function Dynamics"Physica D. 181. 235-251 (2003)
• [文献書誌] A.P.Ponzi, Yasutomi, A., Kaneko, K.: "A Nonlinear model of Economic Production Processes"Physica A. 324. 372-379 (2003)
• [文献書誌] Naoko, N., Kaneko, K.: "A dynamic mechanism of energy conversion to a mechanical work"Phys.Rev.E. 67. 040901(R)-1-040901(R)-4 (2003)
• [文献書誌] Ito, J., Kaneko, K.: "Spontaneous structure formation in a network of dynamic elements"Phys Rev E. 67. 046226-1-046226-14 (2003)
• [文献書誌] Kaneko, K.: "Recursiveness and Evolvability in Mutually Catalytic Reaction System"Adv.in Complex Systems. 6. 79-92 (2003)
• [文献書誌] Furusawa, C., Kaneko, K.: "Robust Development as a Consequence of Generated Positional Information"J.Theor.Biol.. 224. 413-435 (2003)
• [文献書誌] Furusawa, C., Kaneko, K.: "Zipfs law in Gene Expression"Phys.Rev.Lett.. 90. 088102-1-088102-4 (2003)
• [文献書誌] Togashi, Y., Kaneko, K.: "Alteration of Chemical Concentrations through Discreteness-Induced Transitions in Small Autocatalytic Systems"J.Phys.Soc.Japan,2003. 72. 62-68 (2003)
• [文献書誌] Fujimoto, K., Kaneko, K.: "How Fast Elements can Affect Slow Dynamics"Physica D. 180. 1-16 (2003)
• [文献書誌] Nakagawa, N., Kaneko, K., Komatsu, S., T.: "Energy Conversion by Autonomous Regulation of Chaos : Dynamical Mechanism of Loose Coupling"Chaos. 13. 1032-1040 (2003)
• [文献書誌] Fujimoto, K., Kaneko, K.: "Bifurcation cascade realized by Chaotic Itinerancy"Chaos. 13. 1041-1056 (2003)
• [文献書誌] Kaneko, K.: "Recursiveness, Switching, and Fluctuations in a Replicating Catalytic Network"Phys.Rev.E. 68. 031909-1-031909-5 (2003)
• [文献書誌] Kaneko, K., Tsuda, I.: "Chaotic Itinerancy"Chaos. 13. 926-936 (2003)
• [文献書誌] Sato, K., Ito, Y., Yomo, T., Kaneko, K.: "On the Relation between Fluctuation and Response in Biological Systems"Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 100(24). 14086-14090 (2003)
• [文献書誌] N.Nakagawa, K.Kaneko: "Autonomous Energy Transducer : Proposition, Example, Basic Characteristics"Physica A. in press.
• [文献書誌] H.Morita, K.Kaneko: "Self-Organized Bottleneck in Energy Relaxation"Europhys.Lett.. in press.
• [文献書誌] K.Sato, Y.Ito, T.Yomo, K.Kaneko: "On the Relation between Fluctuation and Response in Biological Systems"Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 100. 14086-14090 (2003)
• [文献書誌] Tokuriki N, Urabe I, Yomo T.et al.: "Protein folding by the effects of macromolecular crowding"Protein Sci.. 13(1). 125-133 (2004)
• [文献書誌] Hayashi Y, Sakata H, Makino Y, Urabe I, Yomo T.: "Can an arbitrary sequence evolve towards acquiring a biological function?"J.Mol.Evol.. 56(2). 162-168 (2003)
• [文献書誌] Hiroki R.Ueda, S.Hayashi, T.Yomo, et al.: "Universality and Flexibility in Gene Expression from Bacteria to Human"Proc.Natl.Acad.Sci.USA. in press.
• [文献書誌] S.Matsuyama, C.Furusawa, T.Yomo.et al.: "Global change in Escherichia coli gene expression in initial stage of symbiosis with Dictyostelium cells"Biosystems. in press.
• [文献書誌] I.Suzuki, Y.Sugio, Y.Jimbo, K.Yasuda.: "Individual-cell-based electrophysiological measurement of a topographically controlled neuronal network pattern using agarose architecture with a multi-electrode array"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.43No.3B. L403-L406 (2004)
• [文献書誌] K.Takahashi, A.Hattori, T.Ichiki, K.Yasuda: "On-chip cell sorter system with phase-contrast/fluorescence simultaneous microscopy image processing"J.Electrophoresis. (in press).
• [文献書誌] K.Takahashi, K.Matsumura, K.Yasuda: "On-chip microcultivation chamber for swimming cells using visualized poly(dimetylsiloxane)valve"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.42No.9AB. L1104-L1107 (2003)
• [文献書誌] H.Moriguchi, K.Yasuda., et al.: "An Agar-microchamber cell-cultivation system for topographical control of neural cell network pattern during cultivation"J.Electrophoresis. (in press).
• [文献書誌] K.Kojima, H.Moriguchi, A.Hattorr, T.Kaneko, K.Yasuda: "Two-dimensional Network Formation of Cardiac Myocytes in Agar Microculture Chip with 1480-nm Infrared Laser Photo-thermal Etching"Lab.Chip.. 3. 299-303 (2003)
• [文献書誌] A.Hattori, H.Moriguchi, S.Ishiwata, K.Yasuda: "A 1480-nm/1064-nm dual wavelength photo-thermal etching system for non-contact three-dimensional microstructure generation into agar microculture chip"Sens.&Actuat.B. (in press).
• [文献書誌] K.Kojima, K.Takahashi, T.Kaneko, K.Yasuda: "Flexible control of electrode pattern on cultivation chamber during cultivation of cells using non-destructive optical etching"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.42No.8A. L980-L982 (2003)
• [文献書誌] Y.Sugio, K.Yasuda, et al.: "An agar-based on-chip neural-cell cultivation system for stepwise control of network pattern generation during cultivation"Sens.&Actuat.B. (in press). (2003)
• [文献書誌] Y.Wakamoto, K.Yasuda, et al.: "Development of Non-Destructive, Non-contact Single-Cell Based Differential Cell Assay using On-chip Microcultivation and Optical Tweezers"Sens.&Actuat.B. 96(3). 693-700 (2003)
• [文献書誌] S.Umehara, A.Hattori, Y.Wakamoto, K.Yasuda: "Simultaneous measurement of growth and movement of cells exploiting on-chip single-cell cultivation assay"Jpn.J.Appl.Phys.. (in press). (2004)
• [文献書誌] A.Hattori, S.Umehara, Y.Wakamoto, K.Yasuda: "Measurement of incident angle dependence of swimming bacterium reflection using on-chip single-cell cultivation assay"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.42,No.7B. L873-L875 (2003)
• [文献書誌] K.Matsumura, T.Yagi, K.Yasuda: "Differential analysis of cell cycle stability in Chlamydomonas using on-chip single-cell cultivation system"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.42No.7A. L784-L787 (2003)
• [文献書誌] K.Matsumura, T.Yagi, K.Yasuda: "Role of Timer and Sizer in Regulation of Chlamydomonas Cell Cycle"Biochem.Biophys.Res.Commun.. 306. 1042-1049 (2003)
• [文献書誌] S.Umehara, Y.Wakamoto, I.Inoue, K.Yasuda: "On-chip single-cell microcultivation assay for monitoring environmental effects on isolated cells"Biochem.Biophys.Res.Commun.. 305. 534-540 (2003)
• [文献書誌] H.Moriguchi, K.Yasuda, et al.: "On chip neural cell cultivation using agarose-microchamber array constructed by photo-thermal etching method"Electrical Engineering in Japan. 146(2). 37-42 (2003)
• [文献書誌] 金子邦彦: "生命とは何か[複雑系生命論序説]"東京大学出版会. 430 (2003)
• [文献書誌] G.Muller, S.A.Newman, Kaneko, K.et al.: "Origination of Organismal Form : Beyond the Gene in Developmental and Evolutionary Biology"MIT Press, London. 368 (2003)
• [文献書誌] A.Pikovsky, Y.Maistrenko, Kaneko, K., et al.: "Synchronization : Theory and Application"Kluwer Academic Publishers, London. 260 (2003)
• [文献書誌] 菅原正, 金子邦彦 et al.: "現代化学No.386"東京化学同人. 80 (2003)
• [文献書誌] 金子邦彦 et al.: "物性研究Vol.80,No.6"物性研究刊行会. 170 (2003)