Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ソフトマター / 反応拡散系 / 細胞サイズ空間 / 人工細胞 / 合成生物学 / 時空間パターン

人工細胞を用いた実験系と、実モデルと縮約変数モデルの反応拡散方程式を用いた理論系を組み合わせ、生命の時空間パターンを決定する細胞内反応拡散波の物理を完成させることを目的としている。これまでバクテリアの細胞分裂面を決定するMinタンパク質系を用いて、その反応拡散波(Min波)を人工細胞内にて安定的に発生させる実験系の構築に成功し、（１）人工細胞の直径と波の形状・速度に相似性が現れること(空間相似性)、（２）球形人工細胞では楕円形の生細胞で見られる極間振動波でなく移動波が主となること(形状依存性)、（３）反応パラメータの変動に対して、波の性質が安定であること(性質の安定性)を見出していた。

本年度は主に（２）に関して研究を進めた。球形人工細胞においても極間振動波が安定的に存在することに注目し、どのようなパラメータで極間振動波が安定して出現するかを検討した。結果、MinDの膜結合と膜解離のバランスが釣り合い、膜解離が優勢となりパターンが消失する転移領域の近傍において極間振動波が出現することが示された。また、パラメータバランスを大きく変化させる温度変化により、極間振動波と移動波を遷移させることに成功した。同時に、これらの波のモード転移にはヒステリシスが見られることを示した。これらの内容は論文として投稿し、現在改訂中である。

（１）と（３）についても空間相似性にともなう波長の固定化が（３）で見られる波の性質の安定性の理由であることを見出した。理論と合わせ、現在論文執筆中である。

合成生物学 / ソフトマター / 細胞再構成 / 人工細胞 / 反応拡散 / 細胞変形 / 高分子混雑 / システム生物学 / 流動性 / 生命システム / 自己組織化

本研究では、人工的に構成した細胞(人工細胞)に,生命で機能する部品のグループを導入することで生じる物理的・化学的な変化を、「流動性・生命機能・空間形状」という3つのキーワードを軸に追求しました。結果、細胞が示す空間形状が内部の物質の移動や生命機能に与える影響や、流動性が生命機能の発現を変化させる仕組み、流動性が空間形状変化を制御する可能性など、通常の生命科学ではアクセスしづらい現象の発見やメカニズムの解明に至りました。また、生命機能の模倣による形状の安定化や、硬い生体適合ゲル合成など、研究成果が材料科学にも結び付くことを実証しました。

これまで、細胞膜や細胞サイズ空間が示す物理的・化学的な特徴は生化学反応モデルに導入されていないことが大半でした。この理由は、定式化の難しさだけではなく、どのような物理的・化学的な効果が存在しているかが明確でないことに由来します。本研究の成果により、細胞膜や細胞サイズ空間が生命機能とどのようにリンクしているかの描像が見えてきました。こうした描像は細胞生理の深い理解につながり、将来的には生命とは何か、といった問いかけに対する答えや、新しい医学・薬学の視点提供につながることが期待されます。

【研究分担者】
義永那津人	東北大学	材料科学高等研究所	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
柳澤実穂	東京大学	大学院総合文化研究科	准教授	(Kakenデータベース)