Synthetic biology of self-replicating systems: Growth and evolution far from equilibrium

自我复制系统的合成生物学：远离平衡的生长和进化

基本信息

批准号：
17KT0025
负责人：
前多裕介
金额：
$ 11.9万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-07-18 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

DNAは遺伝情報を蓄積する分子であり、自己複製する生命の根幹である。単純な分子から触媒や高エネルギー反応を介して複雑な分子が段階的に合成されたとする化学進化説が生命の起源に関わる仮説として知られている。しかし、温度・濃度一様の平衡系では、分子の重合反応やDNAが重合する反応（ライゲーション）はランダムに起こる。すると、幾重も反応が起こったDNAの濃度は指数関数的に減衰し、遺伝情報を保持する分子は極めて低い確率でしか現れない。これは化学進化の濃度問題とよばれる未解決課題である。濃度問題解決の糸口は、エネルギーや物質の流入出が繰り返す非平衡系にある。本研究では、巨大な温度勾配が存在する非平衡環境を実験室内で構築し、極限環境下での化学反応とその統計的性質を明らかにした。まず、耐熱的ライゲーションが進行するin vitro熱水系を実験室内に構築した。次に、ライゲーションして成長したDNA分子の濃度・長さ・配列を同時計測する新手法を、リアルタイムPCR法をもとに考案し、その実証に成功した。これらの手法を用いて、以下の結果を得た。温度勾配下のDNAライゲーション反応では、成長したDNAの濃度は長さに対して指数関数的に減少することがわかった。この結果は、反応はランダムであるものの反応効率は高まるため、長大な分子の成長を促進することを意味する。さらに、共存分子となる高分子を添加すると、DNA濃度は長さに対してベキ関数的な減衰を示し、長大な分子の成長が選択的に促進されることがわかった。これは非ランダムなDNA重合反応と選択的な遺伝情報成長が起こっていることを意味している。以上の結果から、分子の成長に伴う指数関数的減衰は、非平衡環境に置ける共存分子を介した非ランダムな反応によって克服しうることを実験的・理論的に明らかにした。これらの研究内容は論文投稿準備中である。

DNA是一种积累遗传信息的分子，是自我修复寿命的基础。关于生命起源的假设被称为理论，即复杂分子是通过催化剂和高能量反应从简单分子分阶段合成的。但是，在温度和浓度均匀的平衡系统中，分子的聚合和DNA聚合随机发生的反应（连接）。这会导致多种反应呈指数衰减的DNA浓度，并且携带遗传信息的分子的概率极低。这是一个未解决的问题，称为化学进化的浓度问题。解决浓度问题的线索是在不平衡的系统中反复流动和流出的。在这项研究中，在实验室中构建了一个巨大温度梯度的非平衡环境，揭示了化学反应及其在极端环境下的统计特性。首先，在实验室中构建了一个体外水热系统，其中进行了耐热结扎。接下来，我们设计了一种基于实时PCR方法的连接DNA分子的浓度，长度和序列的新方法，并成功证明了这一点。使用这些技术，获得了以下结果。在温度梯度下的DNA连接反应中，发现生长DNA的浓度相对于长度呈指数降低。该结果意味着，尽管反应是随机的，但反应效率增加，从而促进了长分子的生长。此外，发现添加了共存分子的聚合物时，DNA浓度就长度表现出功率功能型衰减，从而选择性地促进了长分子的生长。这意味着非随机DNA聚合反应和选择性遗传信息生长正在发生。从上述结果中，在实验和理论上已经揭示了与分子生长相关的指数衰减可以通过可以通过共存分子来克服可以放置在非平衡环境中的共存分子来克服。这些研究主题目前正在准备提交论文。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

遺伝情報分子のライゲーションと選択的な成長：Rich-get-richerモデル

遗传信息分子的连接和选择性生长：富者愈富的模型

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
白木天晴;亀井謙一郎;前多裕介
通讯作者：
前多裕介

Cell‐free gene expression in picolitremicro‐reactors sealed by a biological membrane

生物膜密封的皮升微反应器中的无细胞基因表达

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
Ziane Izri;Ryota Sakamoto;Vincnet Noireaux;Yusuke T. Maeda
通讯作者：
Yusuke T. Maeda

ミネソタ大学(米国)

明尼苏达大学（美国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Thermal molecular focusing: tunable cross effect of phoresis and light-driven hydrodynamic focusing

DOI：
10.1039/c8sm00754c
发表时间：
2018-07-14
期刊：
SOFT MATTER
影响因子：
3.4
作者：
Fukuyama, Tatsuya;Nakama, Sho;Maeda, Yusuke T.
通讯作者：
Maeda, Yusuke T.

生命の成り立ちを極限環境と物理学で捉える

通过极端环境和物理了解生命起源

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
前多裕介
通讯作者：
前多裕介

DOI：
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作者：
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通讯作者：
笹公和，椎根大輔，高橋努，松村万寿美，坂口綾