原始細胞のモデルが特定の分子を内部に溜め込む新現象を発見 - 生命起源の謎「分子濃縮」に迫る - 研究成果

　原始細胞を模した人工のモデル細胞を数十個同時捕捉し、任意のタイミングで化学的・物理的刺激を加えながら個々のモデル細胞を顕微鏡観察できる双方向型自動実験装置「MANSIONs」（注1）を開発しました。モデル細胞は、細胞膜の主な構成要素であるリン脂質（注2）の二分子膜（注3）が袋状に閉じた10 µmほどの人工小胞体（注4）として作製しました。MANSIONsでモデル細胞を捕捉し、ウラニンという蛍光分子や蛍光標識されたアデノシン三リン酸（ATP、注5）の水溶液に曝したところ、水溶液を流し入れている間でのみ、これらの分子をモデル細胞内外の濃度差（注6）に逆らって内部に溜め込む現象が観測されました。この現象が生じる機構として、モデル細胞が捕捉されたまま流れに押しつけられると二分子膜の表と裏の分子組成が変化し、モデル細胞内に浸み込んだ分子が外に漏れにくくなるという機構を提案しました。本現象は、生命起源研究（注7）で謎の一つとされている原始細胞内の分子濃縮（注8）を説明しうる新現象の発見にあたります。さらに、モデル細胞を用いた合成生物学（注9）の要素技術や分子ロボティクス（注10）分野の発展、細胞を治療する薬剤投与技術への活用など、広範な展開・応用が期待できます。

用語解説：
（注1）双方向型自動実験装置「MANSIONs」：濃度・エネルギーや力が釣り合いの状態から離れている環境におかれた分子集合体の計算機支援型多数同時双方向観測法（Machine-Assisted, Numerous, Simultaneous, and Interactive Observation of Non-equilibrium self-assembly）の略称。
 
（注2）リン脂質： リン酸を含む脂質。細胞膜の主要な成分である。
 
（注3）二分子膜： 水になじみやすい部位（親水性部位）と水になじみにくい部位（疎水性部位）をあわせもつ分子が、水になじみにくい部位を向かい合わせてシート状に会合した膜。
 
（注4）人工小胞体： 一枚の二分子膜が閉じて袋になった構造体。
 
（注5）アデノシン三リン酸（ATP）：生物が共通して代謝で繰り返し用いる分子の一つであり、DNAの一部と部分構造を共有する分子でもある。
 
（注6）濃度差： 膜の内と外で水溶性分子の濃度が異なる状態。通常は、水溶性分子は濃度差がゼロになるように膜を移動するのみだが、本研究では、モデル細胞内部が低濃度で外部が高濃度だった状態から、流し入れた水溶性分子が膜を移動して濃度差が逆転し、内部が外部よりも高濃度になることがわかった。
 
（注7）生命起源研究： 地球上のどこで生命は誕生したのか、どういう物質で最初の生命は誕生したのか、を明らかにする研究。
 
（注8）分子濃縮： 生きている限り、内部で分子を代謝して生産し続けるため、生命体が環境から必要な分子を取り込み、環境よりも高濃度に保っている状態。
 
（注9）合成生物学： 現存の細胞を遺伝子工学や代謝工学で改変したり、ゼロから人工細胞を創ったりすることで、生命システムの成り立ちを調べたり、有用物質の生産へ応用する研究分野。
 
（注10）分子ロボティクス： 外部からの刺激に応答し、あらかじめプログラムされた化学反応で計算を行い、外部へ物質を放出したり変形したりする出力のできる、化学的に構築されたロボットを創出する研究分野。