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

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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。