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2023 年度 実績報告書

自己生産し進化するミニマルセルの構築:物質と生命を繋ぐソフトマターの組織化原理

研究課題

研究課題/領域番号 22K20346
研究機関東北大学

研究代表者

栗栖 実  東北大学, 理学研究科, 助教 (00963943)

研究期間 (年度) 2022-08-31 – 2024-03-31
キーワードソフトマター / 生物物理 / ベシクル / 高分子 / 人工細胞 / 生命の起源
研究実績の概要

人工ミニマルセルの2成分目の情報高分子として新たに合成・実験系を確立したポリピロールを用いて、まず2種類の情報高分子・2種類の膜組成・2種類の材料分子供給からなる8通りのパターンについてベシクル成長速度の測定を行った。その結果、当初の見込み通り人工ミニマルセル系の組成(「種」)によってその成長速度に差(「変異」)が生じることが動的光散乱法を用いた粒径測定により確認され、進化する自己生産ミニマルセルを実際の実験系として構築するための基本形が完成した。
また本研究の目標はモデル実験系である人工ミニマルセルの構築だけでなく、それを足がかりに単純な分子集合系と生命とを繋ぐ物理的原理に迫ることにあるが、この理論面で当初の想定を大きく上回る成果があった。本研究により非平衡系の熱力学に新たに取り組み、細胞の代謝系の理論モデルを出発点に、ミニマルセルの化学反応系(情報高分子合成)にともなうエントロピー生成と膜成長速度のバランスに関する評価関数を考案し、それに基づいて「環境に応じていかにしてエネルギーコスト(散逸)を抑えつつ大きく成長するか」という一本の筋で単純な分子系からミニマルセル系の出現、そして変異と進化による高度化のプロセスを説明しようとする枠組みの基礎を構築できた。
総じて、従来は1種類の情報高分子・1種類の膜組成が化学反応系と連携していた人工ミニマルセルについて、組成の多様化による進化可能なシステムへの実験面での展開、および物質から生命出現までを貫く原理の理論的探究という、実験・理論が共同した世界で唯一のミニマルセル研究を推進することができた。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ETH Zurich
  • [雑誌論文] Concepts of a synthetic minimal cell: Information molecules, metabolic pathways, and vesicle reproduction2024

    • 著者名/発表者名
      Kurisu Minoru、Imai Masayuki
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 21 ページ: e210002

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v21.0002

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synthesising a minimal cell with artificial metabolic pathways2023

    • 著者名/発表者名
      Kurisu Minoru、Katayama Ryosuke、Sakuma Yuka、Kawakatsu Toshihiro、Walde Peter、Imai Masayuki
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 6 ページ: 56

    • DOI

      10.1038/s42004-023-00856-y

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] ベシクルから迫る細胞システムの起源2023

    • 著者名/発表者名
      栗栖 実、今井 正幸
    • 雑誌名

      Viva Origino

      巻: 51 ページ: 3

    • DOI

      10.50968/vivaorigino.51_3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synthetic minimal cell with artificial metabolic pathways2023

    • 著者名/発表者名
      Kurisu Minoru、Walde Peter、Imai Masayuki
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2023 Artificial Life Conference (MIT Press)

      巻: isal_a_00610 ページ: 25

    • DOI

      10.1162/isal_a_00610

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 分裂可能な原始細胞膜の分子組成探索2024

    • 著者名/発表者名
      栗栖実
    • 学会等名
      第12回宇宙における生命ワークショップ
    • 招待講演
  • [学会発表] 膜成長と分裂を実現する単純なベシクル系の探索:膜から探るプロトセル2024

    • 著者名/発表者名
      栗栖実、馬場晶子、今井正幸
    • 学会等名
      第48回生命の起原および進化学会学術講演会
  • [学会発表] 自己生産するマイクロ膜コンパートメント2023

    • 著者名/発表者名
      栗栖実
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第47回研究会
  • [学会発表] Reproduction of a synthetic minimal cell: An experimental approach connecting matter and cell2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Kurisu, Peter Walde, Masayuki Imai
    • 学会等名
      日本生物物理学会
    • 招待講演
  • [学会発表] 自己生産する人工細胞の設計:酵素反応・重合反応・膜弾性モデル2023

    • 著者名/発表者名
      栗栖実、Peter Walde、今井正幸
    • 学会等名
      第38回中国四国地区高分子若手研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 浸透圧下で膨張・分裂するベシクル2023

    • 著者名/発表者名
      栗栖実
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会
  • [学会発表] 物質と細胞を人工のベシクル自己生産系で繋ぐ2023

    • 著者名/発表者名
      栗栖実
    • 学会等名
      生命の起原および進化学会 夏の学校
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesizing a minimal cell with artificial metabolic pathways2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Kusiu, Peter Walde, Masayuki Imai
    • 学会等名
      Statphys28
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthetic minimal cells as a physical model of protocells2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Kusiu, Peter Walde, Masayuki Imai
    • 学会等名
      Origins2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthetic minimal cell with artificial metabolic pathways2023

    • 著者名/発表者名
      Minoru Kusiu, Peter Walde, Masayuki Imai
    • 学会等名
      ALIFE2023
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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