研究課題/領域番号 |
16H02216
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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)
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研究分担者 |
川勝 年洋 東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
佐久間 由香 東北大学, 理学研究科, 助教 (40630801)
浦上 直人 山口大学, 創成科学研究科, 准教授 (50314795)
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研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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キーワード | プロトセル / 代謝 / 情報 / 熱力学 |
研究実績の概要 |
本基盤研究では、ベシクルが生命的な機能を獲得した過程を単純なソフトマターの分子集合体を用いて再現し、生命誕生の背後にある物理の解明を目指す。具体的な課題として1)代謝系を持つ成長するベシクル、2)情報分子を持つベシクル、3)プロトセルの熱力学、の3つのテーマから研究を進めてきた。 1)代謝系を持つ成長するベシクル:負の電荷をもつベシクル膜上で、負電荷を利用した鋳型重合により正電荷をもつ高分子(膜の電荷情報を含む情報高分子)を重合し、その正電荷を利用して溶液中の負電荷をもつ膜分子を情報高分子上に凝集させることにより、ベシクル膜に取り込み成長するベシクル系をデザインした。実際に負電荷をもつAOTベシクル上で正電荷をもつポリアニリンを重合することにより、ベシクル周りのAOTミセルを取り込み成長するベシクルの開発に成功した。この系はベシクルだけではなく、情報分子も複製される真の自己生産ベシクルへの展開への基礎となるものである。 2)ベシクル膜上での情報分子の進化:ベシクル膜上にアンカーしたDNA鎖に対して、相補鎖をライゲーション反応により継ぎ足し膜上でDNA鎖を成長させる。配列の異なる複数のDNA鎖を用いてDNA鎖の成長をすすめ、DNA鎖間での競合により最終的にどのような配列のDNA鎖が残るのかを明らかにする。この結果を力学モデルと合わせることにより、DNA鎖の情報(配列)をもとにした進化モデルの構築を進める。昨年度は、DNA鎖のベシクル膜上へのアンカリングと凝集・解離の制御に成功した。 3)プロトセルの熱力学:昨年度は、曲率の異なる2種類の脂質分子がベシクルの分裂をもたらす機構を。モレキュラーダイナミクス法を用いて検討し、2種類の脂質の形状と膜のガウス曲率との結合がベシクルの分裂をもたらすことを明らかにした。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
生命の最も本質的な性質である、成長・分裂して増殖するベシクルを作成することが本研究の最も重要なターゲットである。今までの研究から、このようなシステムを実現するための2つのハードルが、外部から原料を取り込んでベシクルが成長するプロセスと分裂するプロセスであることがわかってきた。昨年度はこの問題に対して、膜表面での情報高分子の重合を介在させることにより外部から原料を取り込んで成長するベシクルの開発に成功した。これは、世界で初めての情報高分子を介在させた成長するベシクルの創成であり特質すべき成果である。また、分裂の関しても2週類の膜分子の形状をベシクルの曲率と結合させることにより分裂が誘起されることを、分子動力学シミュレーションにより相図として示した。このように、分裂の機構を定量的に示したのは我々の研究が初めてであり、非常に価値の高いものである。これらの2つの関門を初年度の段階でクリアした点を評価した。
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今後の研究の推進方策 |
現在進めている1)代謝系を持つ成長するベシクル、2)情報分子を持つベシクル、3)プロトセルの熱力学、の3つのテーマについて、昨年度の発展を基に以下のように研究をさ進める。 1)代謝系を持つ成長するベシクル:昨年度の成果を基に、成長するベシクルを分裂させる自己生産ベシクルの開発を目指す。本年度はまず、ベシクルの成長に伴う変形過程を3次元解析し、そのキネティックパスウエイを明らかにしたのち、第二成分としてSDBSを添加し、その曲率の違いを利用した変形と分裂を試みる。実験ではその変形過程を3次元解析することにより、最適な素性を割り出し持続的に増殖するベシクルの創成を目指す。 2)ベシクル膜上での情報分子の進化:ベシクル膜上にアンカーしたDNA鎖に対して、相補鎖をライゲーション反応により継ぎ足し膜上でDNA鎖を成長させる。配列の異なる複数のDNA鎖を用いてDNA鎖の成長をすすめ、DNA鎖間での競合により最終的にどのような配列のDNA鎖が残るのかを明らかにする。この結果を力学モデルと合わせることにより、DNA鎖の情報(配列)をもとにした進化モデルの構築を進める。昨年度は、DNA鎖のベシクル膜上へのアンカリングと凝集・解離の制御に成功したので、今年度は、実際に膜上でのライゲーションを行い、幾つかのモデル系で競合と選択のモデル系の構築のための基礎的な実験を進める。 3)プロトセルの熱力学:本年度は、昨年度開発した膜分裂シミュレーションのスキームを利用して熱力学積分法を用いて基準状態からの自由エネルギーの差を評価することにより、プロトセルの自己生産に関する自由エネルギーランドスケープを作成する。また、ベシクルの増殖過程に対して Jarzynski不等式を適用し、分裂を起こすための非平衡熱力学的条件を明らかにする。
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