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2021 年度 実績報告書

人工多細胞型ゲノム複製システムの構築

公募研究

研究領域分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築
研究課題/領域番号 21H05867
研究機関東京大学

研究代表者

水内 良  東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (60845535)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
キーワード人工細胞 / 多細胞 / ゲノム複製 / RNA / 無細胞翻訳系 / 分子通信 / 液―液相分離 / 再構成
研究実績の概要

本研究では、液-液相分離によって形成する液滴を人工細胞として用い、独立の液滴に封入された2種類のRNAゲノムが、液滴間の情報伝達を介して協調的にゲノム複製する、人工多細胞型ゲノム複製システムを構築する。このために、まず近年独自開発した協力的なRNA複製システムを液滴内で駆動させる。本システムではRNA 1が複製酵素を、RNA 2が代謝酵素をコードしており、無細胞翻訳系により翻訳される。これらのRNAの複製はいずれも、両方のRNAから翻訳される酵素に依存して起きるようデザインする。本年度はまず、このような協力的なRNA複製システムを液滴内で駆動させることを試みた。特に、RNA配列の最適化 (進化実験で得られた様々なRNAの探索) や無細胞翻訳系の精製によるバックグラウンドの低減を行い、RNA 1とRNA 2が同一液滴内で協力的に複製することを実証した。

上記の反応を十分に達成するためには、現状では約6時間の培養が必要である。このような長い時間スケールでは、液滴同士の融合が無視できず、最初は異なる液滴に存在していたRNA 1とRNA 2が反応中に混ざってしまう場合がある。そのため本年度はさらに、液滴を安定化して融合を防ぐ新規手法の開発も試みた。様々な因子や条件を検討した結果、特定のタンパク質の存在化で液滴が安定化することを見出した。この時、液滴表面の分子透過性はある程度保たれていた。また反応条件の最適化により、RNA複製も起きることを確認した。今後は、この技術を上記の単一液滴内における協力的RNA複製システムに適用し、RNA 1とRNA 2が液滴間の情報伝達を介して複製するシステムを構築する。

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

当初の予定であった同一液滴内での2種類のRNAの協調的な複製を達成したことに加え、液滴を安定化する新たな手法を開発することができたため。

今後の研究の推進方策

独立の液滴に封入された2種類のRNAが液滴間の情報伝達を介して複製するシステムへと拡張する。伝達分子としては小分子やタンパク質を用いる。この実証のために、例えば分子ビーコンを用いた顕微鏡による複製の直接検出を試みる。また情報伝達の程度は伝達分子を蛍光標識し、顕微鏡観察することで調べる。情報伝達が十分でない場合は、液滴の内外液組成を最適化し、拡散速度を調整することで、両方向の情報伝達を介したRNA複製へと拡張する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuuchi Ryo、Furubayashi Taro、Ichihashi Norikazu
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41467-022-29113-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 原始生命を模した分子複製システムの進化と改良2021

    • 著者名/発表者名
      水内 良
    • 雑誌名

      Viva Origino

      巻: 49 ページ: -

    • DOI

      10.50968/vivaorigino.49_10

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Relaxed Substrate Specificity in Qβ Replicase through Long-Term In Vitro Evolution2021

    • 著者名/発表者名
      Yukawa Kohtoh、Mizuuchi Ryo、Ichihashi Norikazu
    • 雑誌名

      Life

      巻: 12 ページ: -

    • DOI

      10.3390/life12010032

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] From emergence to Darwinian evolution of RNA replicators2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      NASA Center for the Origin of Life meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA複製システムと生命の起源2022

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      学術変革領域(A)分子サイバネティクス 第10回領域セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA複製体のダーウィン進化による複雑化2022

    • 著者名/発表者名
      水内良、古林太郎、市橋伯一
    • 学会等名
      第46回 生命の起原および進化学会学術講演会
  • [学会発表] Evolutionary complexification of a replicase-encoding RNA replicator2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi
    • 学会等名
      The XIXth International Conference on the Origin of Life
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工RNA自己複製体と寄生体の長期共進化2021

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      日本微生物生態学会第34回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Evolutionary complexification of an artificial RNA replication system in a cell-like compartment2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi、Taro Furubayashi、Norikazu Ichihashi
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会 14.0
  • [学会発表] Evolutionary complexification of an artificial RNA replication system2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Mizuuchi, Taro Furubayashi, Norikazu Ichihashi
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 人工RNA複製体の進化と人工細胞と生命の起源2021

    • 著者名/発表者名
      水内良
    • 学会等名
      人工細胞モデル&分子ロボティクス 第2回研究会
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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