Non-equilibrium physics of cytoplasmic phase separation and wetting

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本研究の目的は，細胞質の相分離とぬれのメカニズムとその生物学的機能を物理的観点から明らかにすることである。我々は遺伝子発現活性をもつバクテリア細胞質溶液:無細胞発現系をモデル細胞質とし，細胞サイズの閉じ込め空間における相分離ダイナミクスを探求した。細胞サイズのウェル内に無細胞発現系を封入し，蒸発によって駆動される相分離過程が観察した。溶液中の分子クラウダーPEG(ポリエチレングリコール)の初期濃度を変化させると，濃度依存的に異なる相分離ダイナミクスが現れることを発見した。濃度が低い条件では分散した液滴を形成したのに対し，濃度が高い条件では液滴が融合し単一のドメインを形成した。この物理的要因を明らかにするために，有限要素法を用いて2次元の相分離ダイナミクスの数値計算モデルを構築した。液滴のぬれ性および流れを計算に加味すると，実験の結果を再現できることがわかった。これらの結果は液滴のぬれ性が相分離ダイナミクスやその結果である液滴のサイズ及び分布を制御することを示唆する。細胞内では細胞膜をはじめ多くの界面が存在し，液滴が界面とぬれを示すことにより脂質小胞生成や細胞骨格の束化など多様な細胞内機能を実現することが示唆されている。本研究で細胞サイズの実験系を用いて細胞質溶液の相分離とぬれのダイナミクスを明らかにしたことは，ぬれが駆動する細胞機能のメカニズムの解明への一助となることが期待される。