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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17KT0025/
• 关键词: 生命の起源; 化学進化; 非平衡統計力学; ランダムネス; 実験; 数値計算; 自己複製; 自己複製系; 進化; 統計力学; 物性実験; 合成生物学

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 is the root of life, and DNA is the source of information. Pure Molecules, High Molecular Weight, High Molecular Weight In the same way, in the equilibrium system of temperature and concentration, the reaction between the overlapping reaction of molecules and the overlapping reaction of DNA occurs naturally. DNA concentrations are exponentially lower and information retention is extremely low. The problem of chemical evolution is not solved. The concentration problem is solved in the non-equilibrium system. This study reveals the statistical properties of chemical reactions in non-equilibrium indoor environments with large temperature profiles. The heat resistance of the hot water system is carried out indoors. A new method for simultaneous measurement of DNA molecule concentration, length and alignment was developed. The following results were obtained by using the above methods. The temperature of the DNA is adjusted to increase the concentration of DNA and to decrease the number of exponential factors. The result is that the rate of reaction is high, and the growth of molecules is promoted. The increase in DNA concentration and molecular weight is related to the decrease in the number of molecules, and the increase in molecular weight is related to the increase in molecular weight. This is the first time that DNA has been re-encoded. The above results show that the growth of molecules is accompanied by exponential decay, and the coexistence of molecules in non-equilibrium environments is overcome. The research content is in preparation for submission.

项目成果

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

• 发表时间: 2018
• 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

• 发表时间: 2018
• 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）

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.

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

由生物膜密封的皮升微反应器中的无细胞基因表达

• 发表时间: 2018
• 作者: Ziane Izri;Ryota Sakamoto;Vincnet Noireaux;Yusuke T. Maeda
• 通讯作者: Yusuke T. Maeda