第五回年会セッション1

生命現象と構成論的アプローチ：生命現象と物理・化学現象とのはざま(仮)

講演者: 斉藤　博英（京都大学白眉）、住野　豊（愛知教育大学）、前多　裕介（京都大学白眉）、松田　充弘（京大・生命学研究科）

日時

TBA

Chair

TBA

人工RNAスイッチによる自律的な細胞運命制御システムの構築に向けて

• 斉藤　博英 (京都大学白眉)

　細胞内状態に応じた精密な遺伝子操作の技術を確立し、様々な標的細胞の運命を自律的に制御するための基盤技術を創出することは、重要な課題である。シンセティックバイオロジー分野の進展により、これまでに様々な人工遺伝子回路が設計され、細胞内シグナルを制御することを目指す多くのモデル研究が進展している。しかしながら、設計された回路は細胞内で目的の挙動を示さない場合も多い。また、回路を構築するための「分子パーツ」の数には限りがあり、その傾向は特に哺乳類細胞において顕著である。回路構築の基本素子となる生体分子を分子デザインにより創出し、かつ生体分子間相互作用を自在にエンジニアリングできれば、より高度で洗練されたシステムの構築が期待できる。

　我々は、人工システム構築の重要な分子パーツとして、RNAおよびRNA-タンパク質 (RNP)相互作用に着目し、人工RNA/RNPによる新しい遺伝子操作技術の開発を進めている。具体的には、哺乳類細胞内シグナルを制御できる人工RNAや RNP の分子デザイン法を開発した。この方法を活用し、細胞内で発現する特定のタンパク質を検知し、mRNA からの目的遺伝子の翻訳を自在にON/OFF制御し、かつその生死を決定できる「人工 RNA スイッチ」の開発に成功した。この方法を様々な入力因子に応答するように拡張できれば、細胞内部状態の様々な変化に応じて、自律的に目的遺伝子の発現をON/OFF制御できるシステムの構築へとつながるだろう。

　さらに、mRNA とタンパク質の相互作用を基盤とする負の翻訳フィードバック回路を人工的に設計・構築することに成功した。 細胞内でのRNP親和性を測定することで、単純な数理モデルを元に、細胞内でのタンパク質発現の挙動を定性的に予測できることがわかった。このように、「RNPパーツ」の生化学的解析データを元に人工回路を設計・構築できるため、より精度の高い人工回路の構築が期待できる。

　より複雑な細胞運命の理解・制御のためには、数理モデル・シミュレーションを活用し、細胞内で目的の機能を実現する人工システムを設計することが必須となると考えられる。その設計戦略と人工RNAシステムの今後の可能性について議論したい。

参考文献：
1.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20016495
2.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21240283
3.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21245841
4.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22810207

自発駆動する微小管が生み出す巨大な渦構造

• 住野　豊（愛知教育大学）

　自ら動きまわる能動的な要素の集合体は，動物の群れや細胞の集合体など，様々なスケールで我々の身近に存在している．このような集合体は，熱平衡状態で熱的に揺らぐ受動的な要素の集合体と異なり，平衡統計力学での記述はできない．しかしながら，群れ運動の様子などに着目すると共通の枠組みでの理解を示唆させる振る舞いが見うけられる．そこでこれら自ら動き回る能動的な要素の集合体を“Active Matter”[1]と称し，統一的に理解しようとする試みが盛んとなっている．

　このような背景の下，我々は運動する要素として基板上に吸着した分子モーターであるダイニンにより駆動される10 μm程度の微小管に着目し，微小管の集団挙動を観察した[2]．すると，ATPを注入し微小管の運動を始めたばかりでは構造が見られないが，徐々に微小管が集合・配列を始め，最終的に400μm程度の巨大な渦構造を形成した．この渦は10 mm程度もある基板上を全て覆いつくしており格子を形成していた．また単一の渦内部の微小管の向きは双方向であった．

　この集団挙動を理解するためまず微小管間の相互作用を観察した．本系では，微小管同士の1対1衝突が観察でき，衝突前は相互作用が見られず，衝突時に排除体積の効果により運動の向きが平行か反平行に揃うことが見出された．つまり微小管同士は局所的なネマチック相互作用を示すことが見出された．更に孤立した周りと相互作用しない微小管の運動特性を軌跡から解析した．すると，微小管の軌跡は曲率に長時間の相関をもつことが見出された．これら実験結果より短距離のネマチック相互作用と，運動方向変化に対する相関をもつ揺らぎを取り入れ，短距離相互作用する自走粒子のモデルであるVicsekモデル[3,4]の拡張を行った．このモデルを用い，実験で測定した実験系の値から得られるパラメータを用いて数値計算を行うと渦格子の生成が再現された．

　以上の結果は，局所的で単純な衝突相互作用であっても，運動方向の揺らぎの有限時間相関により結晶のような周期構造を生み出す点で興味深い．また，方程式の上では相関のある運動方向の揺らぎは時間的に緩和する粒子の内部状態と考えることもできる．これは，より一般的な系，つまり動物集団や人間集団の集団運動を考える上で内部状態の取り扱いの一手法としても興味深いと考えられる．

参考文献：
[1] S. Ramaswamy, "The mechanics and statistics of active matter," Ann. Rev. Cond. Matt. Phys. 1, 323-345 (2010).
[2] Y. Sumino, K. H. Nagai, Y. Shtaka, D. Tanaka, K. Yoshiakwa, H. Chaté, and K. Oiwa, ."Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules, " Nature 483, 448-452 (2012). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22437613
[3] T. Vicsek, A. Czirók, E. Ben-Jacob, I. Cohen, and O. Schochet, "Novel type of phase transition in a system of self-driven particles," Phys. Rev. Lett. 75, 1226-1229 (1995). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10060237
[4] G. Grégoire and H. Chaté "Onset of Collective and Cohesive Motion" Phys. Rev. Lett. 92, 025702 (2004). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14753946


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