Autonomous emergence of artificial cellular model by micro phase separation of macromolecular solution

大分子溶液微相分离自主出现人工细胞模型

基本信息

批准号：
21K15057
负责人：
作田浩輝
金额：
$ 3万
依托单位：
The University of Tokyo (2022)Doshisha University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生体の細胞の内部はDNA、RNAやタンパク質などの生体高分子を高濃度に含有する水溶液の環境である。生物は高分子が混雑した環境で、「部品」となる生体分子をどのようなメカニズムで適材適所に配置し、機能が構築されるのかといった課題に対する研究は初歩的な段階に留まっている。本研究では、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴を用いて細胞モデル系の構築を通して、細胞における生体分子の秩序構造の形成や機能のメカニズムの解明に迫る。生体から抽出した分子や細胞内小器官を用いた細胞構造の再構成や生命機能の構築が溶液の単純な混合により自律的に行われるモデル実験系の確立を目指し研究を展開してきた。本年度は、高分子の水－水相分離によるミクロ液滴系に骨格タンパク質の微小管とそれに沿って運動するモータータンパク質のキネシンを導入した際に、液滴の内部で対流を生成することを発見した。これまでの研究で骨格タンパク質のアクチンやDNAといった生体高分子が高分子の相分離ミクロ液滴系と混合した際に自発的に液滴の内部に局在することを明らかにしていた。本年度の研究成果として、同じく骨格タンパク質である微小管とモータータンパク質であるキネシンを同様に相分離ミクロ液滴系に混同した際に自発的に液滴の内部に局在することを明らかにした。用いた微小管－キネシン(キネシンは4量体で微小管同士を架橋しながら運動する)は収縮的なネットワークを形成することがこれまでに報告されていた。自発的に局在した微小管－キネシンが液滴の内部で収縮的なネットワークが対流現象を引き起こすことを発見した。このような対流現象は、微小管－キネシンの複合体が液滴の界面に局在し、対称性を破りながら収縮することで形成されることを数理モデルによるシミュレーションを通して明らかにした。本成果は、Commun. Chem.誌に採録決定済みとなっている。

活细胞的内部是一个水环境，含有高浓度的生物聚合物，如 DNA、RNA 和蛋白质。活有机体是充满聚合物的环境，研究仍处于初级阶段，例如如何将作为“组件”的生物分子排列在正确的位置以创造功能。在本研究中，我们旨在通过利用聚合物水-水相分离产生的微滴构建细胞模型系统，阐明细胞中生物分子有序结构的形成和功能机制。我们一直在进行研究，目的是建立一个模型实验系统，通过简单的溶液混合，利用从活体中提取的分子和细胞内细胞器自主地进行细胞结构的重建和生物功能的构建。今年，我们发现，当我们将微管（一种框架蛋白）和驱动蛋白（一种沿着微管移动的运动蛋白）引入基于聚合物水-水相分离的微滴系统时，液滴内部会产生对流。先前的研究表明，当支架蛋白肌动蛋白和DNA等生物聚合物与相分离的聚合物微滴系统混合时，它们会自发地定位在液滴内部。今年的研究结果表明，微管（也是支架蛋白）和驱动蛋白（运动蛋白）在相分离微滴系统中混合时会自发地定位在液滴内部。之前有报道称，所使用的微管驱动蛋白（驱动蛋白是一种在桥接微管时移动的四聚体）形成收缩网络。我们发现自发局部微管驱动蛋白的收缩网络会引起液滴内部的对流现象。通过使用数学模型的模拟，揭示了当微管-驱动蛋白复合物位于液滴界面并在打破对称性的同时收缩时形成这种对流现象。该结果已被《Commun》杂志接受发表。