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2020 年度 実績報告書

細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果の理解

公募研究

研究領域分子夾雑の生命化学
研究課題/領域番号 20H04717
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

藤原 慶  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20580989)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワード合成生物学 / 高分子混雑 / 細胞サイズ空間 / 細胞再構成 / 無細胞転写翻訳系
研究実績の概要

細胞サイズの空間でのみ顕在化する分子夾雑による生命システム動態変化の一般性とメカニズムについて、人工細胞と生命システム再構成系を活用することで迫ることを目的としている。この目的のため、夾雑度合や成分を制御可能である人工細胞と再構成された生命システムを用い、(1)転写翻訳系に現れる細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果の分子メカニズム解明、(2)細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果をもたらす物理化学的本質の解明、(3)細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果を受ける生命システムのさらなる探索、を3つの柱に研究を遂行している。本年度は(2)細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果をもたらす物理化学的本質の解明について大きな進展があった。(2)は、細胞内の時空間パターン決定システム(Min波)の動態に対する影響を解析した。Min波は一定濃度以上の細胞抽出液が存在しない場合、人工細胞内では機能しない。この細胞抽出液はBSAに置き換えることが可能であり、一種の場の触媒として作用している。そこで細胞抽出液に対して陰イオン交換、ゲルろ過による分子量分画を行い、Min波に与える影響を解析したところ、分子量とは関連があるものの、電荷とは関係がないことが示唆された。そこで、細胞抽出液に豊富に存在する解糖系酵素や他の機能タンパク質を精製し、細胞抽出液の代わりに使用したところ、約半数のタンパク質がMin波を発生させる場の触媒となった。また、これらの場の触媒となるタンパク質の必要重量濃度は分子量サイズと相関を示した。このことは、大きなタンパク質ほど場の触媒作用が高いことを示唆した。GFP融合によってこれら場の触媒となるタンパク質を解析したところ、弱い相互作用によって自発的に膜に局在することが示唆された。これらの自発局在は生細胞内では消失していることから、分子夾雑環境では弱い相互作用が顕在化するための強度閾値が存在することが示唆された。

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

当初の想定より早く細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果の一般則に関する重要な知見を得たため。

今後の研究の推進方策

Min波を題材とした細胞サイズ空間特異的な分子夾雑効果の理解はひと段落ついたため、今後は解糖系や転写翻訳系といった他の生命システムに対して同様の解析を行い一般則に迫る。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] A relationship between NTP and cell extract concentration for cell-free protein expression2021

    • 著者名/発表者名
      K Takahashi, G Sato, N Doi, K Fujiwara
    • 雑誌名

      Life

      巻: 11 ページ: 237

    • DOI

      10.3390/life11030237

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Conformational equilibrium of MinE regulates allowable concentration ranges of a protein wave for cell division2020

    • 著者名/発表者名
      S Kohyama, K Fujiwara, N Yoshinaga, N Doi
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 12 ページ: 11960-11970

    • DOI

      10.1039/D0NR00242A

    • 査読あり
  • [学会発表] 精製因子によるゲノム転写翻訳系の再構成2021

    • 著者名/発表者名
      松井ゆきの、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第15回無細胞生命科学研究会
  • [学会発表] 解糖系とPURE systemの共役動態の解明2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第15回無細胞生命科学研究会
  • [学会発表] 細胞分裂のためのMin波発生のモジュレーターとしての高分子混雑2020

    • 著者名/発表者名
      西川早紀、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第58回生物物理学会年会
  • [学会発表] 中程度の分子混雑による人工細胞に内包した生化学システムの制御2020

    • 著者名/発表者名
      西川早紀、光山隼史、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第43回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 転写翻訳系とゲノムが同種の無細胞ゲノム転写翻訳系の確立2020

    • 著者名/発表者名
      松井ゆきの、出山達貴、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第58回生物物理学会年会
  • [学会発表] ゲノム規模でのタンパク質発現原理の解明に向けた無細胞ゲノム転写翻訳系の構築2020

    • 著者名/発表者名
      松井ゆきの、出山達貴、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第43回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 解糖系と転写翻訳系の共役再構成系の構築および共通要素効果の解明2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第43回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 解糖系と転写翻訳系の共役動態の解明2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会13.0
  • [学会発表] 解糖系と転写翻訳系の共役動態の解明2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳、木下紗希、山田貴大、舟橋啓、土居信英、藤原慶
    • 学会等名
      第4回分子ロボティクス年次大会

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公開日: 2021-12-27  

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