Research

Overview 〜「生命」が成り立つ仕組みを「つくる」ことで紐解く〜

細胞は、分子から秩序構造を自己組織化する動的システムと捉えることが出来ます。小さな分子はどのような仕組みで、細胞という広大な空間を認識し、適時適所で集合・離散しながら、細胞スケールの動的秩序や生命機能を生み出しているのでしょうか？私たちは、主に細胞骨格をモデル系として用い、生細胞で観察される動的構造や機能が人工細胞で再現される条件を探るという構成論的手法で、この謎の解明に挑んでいます。分子の局所的な相互作用から、生命が成立する仕組みを紐解くことを目指します。

The cell maintains its life through the assembly and disassembly of various subcellular structures having unique biological functions from molecules. How do the tiny molecules recognize the vast intracellular space and self-organize into micrometer-scale structures at appropriate time and space to regulate cell functions? This is a fundamental but non-trivial question in biology. Our lab aims to understand the design principles that govern the self-organization of cell-scale ordered structures and biological functions from molecules. Using the cytoskeleton as a model system, we are exploring biochemical and physical conditions under which cytoskeletal structures and biological functions are reconstituted in artificial cells.

Background 〜分子から見た細胞内の世界とは？〜

細胞の中には固有の機能を持つ様々な秩序構造があり、細胞はそれらの構造を自由自在に作っては壊すことで「生命」を維持しています。例えば、動物細胞はシグナル分子の濃度勾配が作る極性や、細胞骨格タンパク質による収縮ネットワークなどの時空間パターン構造を作っては壊すことで細胞の形を変え、運動や分裂などの機能を生み出していると考えられています。即ち、分子が適切なタイミングと場所で集合・離散しながら、次から次へと高次の動的秩序を生み出す現象こそが、すべての生物に共通する普遍的な特徴であり、生命の本質であると考えています。

　細胞を”動かしている”主役は分子であり、分子から見た細胞内の世界は広大です。個々の分子の視点に立って細胞内の世界を想像すると、細胞の中で次々と生じている、分子から細胞スケールの秩序が自己組織化する現象は自明ではありません。なぜなら分子は、我々人間社会と異なり、近接する者同士の物理的接触を通じてしか“コミュニケーション”が取れませんが、それにも関わらず何らかの方法を駆使して広大な空間を認識し、適時適所で、しかもほとんどミスすることなく、自身の数百倍以上もある巨大な動的秩序を組み上げているのです。この何らかの方法とは一体どのようなものでしょうか？換言すれば、分子間相互作用をどのように組み合わせることで、集団として広大な空間を認識し、高次の秩序を生み出しているのでしょうか？この謎に迫ることで、分子という物質的基盤の上に「生命」が成立している仕組みが見えてくるはずです。

The cell, the smallest unit of life, can be regarded as a dynamical system that self-organizes ordered structures from complex reaction networks of molecules. This phenomenon, namely, spontaneous assembly and disassembly of ordered structures from molecules at appropriate time and place, is the essential feature shared among all living organisms. For example, an animal cell changes its shape by creating and destroying polarized patterns of Rho and cytoskeletal networks. By doing so, the cell moves and divides, both of which are the essential features of living systems.

From a viewpoint of individual molecules, the “world of the cell” is huge. In contrast to the human world, the molecules can “communicate” with each other only through their local physical interactions. Even in such a situation, the molecules somehow recognize the vast intracellular space and self-organize into dynamical structures that are several orders of magnitude larger than the individuals to generate biological functions. What is the underlying mechanism? We believe that, by addressing this question, we can understand how the life is created from molecules.

タンパク質１分子を人の大きさに例えると、細胞内の世界は巨大都市に匹敵するほど広大である。そんな世界において、分子はどのようにして広大な空間を認識し、細胞スケールの秩序を生み出しているのだろうか？
If it is assumed that the size of each protein is as large as a human, the cell is comparable to the size of a mega city. In such a world, how do the molecules work together to create cell-scale ordered structures to generate biological functions?

Our strategy 〜分子から細胞を組み立てる、生きている細胞を自在に操る〜

これまでの生命科学は、機能発現に関与する分子を特定し、その構造や細胞内での動態を観察することで発展してきました。「知る・見る」ことによって細胞の理解は格段に深まってきましたが、依然として分子から生命が成立する仕組みは大きな謎として残されています。私たちは細胞を「創る・操る」ことが、その謎の解明には欠かせないと考えています。

私たちは、生きている細胞を一旦バラバラに分解した後、これまでの「知る・見る」研究で得られてきた知見をもとに、着目している生命現象に本質的と考えられている”パーツ”を組み合わせ、生きている細胞で観察される秩序構造や機能が再構成される条件を探るという構成的アプローチで研究を行っています。さらに再構成実験によって明らかになった仕組みが、生きている細胞でも働いていることを確かめるために、細胞を自在に操る技術の開発を進めています。人工細胞の構築と生細胞の操作を組み合わせることで、分子から生命が成立する仕組みを紐解きます。

Over decades, we have accumulated the knowledge by resolving protein structures and observing these dynamics in the cell, as well as identifying key molecules essential for biological functions. However, the mechanism how the life is created from molecules remains a great mystery.

Our lab is using a bottom-up approach to tackle this mystery: we disassemble living cells into small pieces and then combine a few pieces that are thought to be essential to the biological phenomenon of interest. Then, we are exploring biochemical and physical conditions in which ordered structures and the related biological functions are reconstituted in artificial cells. Furthermore, to verify that the mechanisms revealed by the reconstitution experiments do work in living cells, we are developing techniques to manipulate living cells. We believe that the strategy of creating and manipulating the cell is indispensable to deepen our understanding and uncover the remaining mystery of the cell.

時計が動く仕組みを理解したいと思ったら、一旦バラバラに分解して組み立て直すことで、仕組みがみえてくるはずだ。私たちは同じことを細胞で試したい。
If you want to know how a clock works, you will understand the mechanism in the process of disassembling and reassembling the clock. We want to apply the same idea to the cell to understand the molecular mechanisms.

Project 0. Development of new reconstitution technologies / 再構成技術の開発

これまでにない斬新なアプローチで生命現象の解明に挑むには、新しい実験技術が必要不可欠です。共同研究者の協力のもと、私たちは既存の再構成技術の改良や、新しい再構成技術の開発に取り組んでいます。再構成研究には大別して２つの方向性があります。生きている細胞にできるだけ近づけるという方向性と、あえて細胞とはかけ離れた条件を調べてみるという方向性です。「生命」が成立している条件を知るためには両方のアプローチが必要と考えています。特に後者については物理の発想に基づき、再構成系の利点を活かして細胞を圧倒的に単純化・理想化することで、生細胞を扱った研究では困難なパラメータが操作可能となり、予期せぬ新しい発見があると期待しています。

New experimental technologies always open a new frontier in life science. In collaboration with scientists and engineers in different research fields, we are developing new reconstitution technologies, as well as trying to improve current methods for reconstructions. There are two directions in reconstitution studies: i) making sophisticated artificial cells that can mimic behaviors of living cells, or ii) simplifying or even idealizing living cells to test conditions far away from these of living cells. We think both approaches are important to determine the condition under which the life is emerged from molecules. As for the latter direction, we expect that in vitro reconstitution could lead unexpected discoveries because it enables us to manipulate biochemical and physical parameters over the range accessible by in vivo experiments.

Chiba et al., Biophys. J. 2014; Sakamoto et al., Nat. Commun. 2020; Yamazaki et al., Nano Lett. 2024.

アクチン及び細胞質抽出液を封入したリポソーム（上）と微小チャンバーに封入したアクチン（下） / Liposomes containing F-actin or cytoplasmic extracts (top), and Microfluidic chambers containing F-actin (bottom).

Project 1. Reconstitution of cytoskeletal dynamics and functions from minimal components / 最小構成要素による細胞骨格動態・機能の再構成

私たちは細胞骨格をモデル系として、分子がどのようにして細胞スケールの動的構造を自己組織化し、細胞機能を制御しているのかを解き明かそうとしています。その究極は、精製タンパク質を混ぜ合わせて、細胞で観察される構造や機能が再現される条件を探るという、まさに「ボトムアップ型」の研究です。百聞は一見にしかず、成功すれば着目している現象に必要な生化学的条件（タンパク質の組み合わせ、濃度など）と物理的条件（閉鎖空間の大きさや形状、力など）について、明確な答えを出せる強みがあります。

Using the cytoskeleton as a model system, we aim to understand how the molecules self-assemble into cell-scale ordered structures to regulate biological functions. The ultimate goal is building the structures or even building the cell from molecules, in which purified proteins are mixed and encapsulated into cell-sized capsules to explore the conditions under which the structures and functions observed in living cells are reproduced. If successful, it could determine the biochemical conditions (combination of proteins, concentration, etc.) and physical conditions (size and shape of the confined space, magnitude of force, etc.) essential for the biological phenomenon of interest.

Miyazaki et al., Nat. Cell Biol. 2015; Kubota et al., Biophys. J. 2017.

収縮環の再構成 / Reconstitution of contractile ring.

Project 2. Reconstitution of cytoskeletal dynamics and functions from the cytoplasmic extracts / 細胞質抽出液を用いた細胞骨格動態・機能の再構成

精製タンパク質による再構成系は必要条件を導き出す強力な手段ですが、実際の細胞ではさまざまな反応ネットワークが複雑に絡み合っているため、精製タンパク系で得られたメカニズムが、そのまま生細胞に適応できるとは限りません。より細胞に近い環境での解析が求められます。そこで私たちは精製タンパク系と生細胞系を橋渡しする系として、カエルの卵から取り出した細胞質抽出液を用いて細胞骨格動態や機能の解析を進めています。任意の阻害剤や精製タンパク質を正確な濃度で添加できる利点や、力学操作ができる利点を活かし、摂動応答計測と数理モデルを組み合わせることで、複雑な細胞質中での細胞骨格動態のシステム的理解を目指しています。

Although a reconstituted system from purified proteins is a powerful tool for identifying the key molecules and physical conditions, it is unclear whether the mechanisms derived from in vitro experiments can be directly applied to living cells because of the complex interplay of protein-protein interactions and biochemical reaction networks in the cytoplasm. To bridge the gap between the simplest system reconstituted from minimal components and the complex system of living cells, we are using cytoplasmic extracts of frog eggs. This membrane-free system enables us not only to perturb molecular interactions by adding inhibitors or purified proteins but also to perform mechanical manipulations. By taking this advantage and with the help of mathematical modeling, we aim to understand physical principles of cytoskeletal dynamics in the complex cytoplasm.

Suzuki et al., PNAS 2017; Sakamoto et al., Nat. Commun. 2020; Sakamoto et al., PNAS 2022; Sakamoto et al., Phys. Rev. Res. 2023.

細胞内配置制御の再構成 / Reconsitution of interacellular positioning.

細胞運動の再構成 / Reconstitution of cell motility.

Project 3. Manipulation of cytoskeletal dynamics and functions of living cells / 生細胞の細胞骨格動態・機能の自在操作

再構成実験で明らかになったメカニズムが、生細胞でも働いていることを示すにはどうすれば良いでしょうか？私たちは、再構成実験で得られたメカニズムの予測通りに生細胞の機能を操作できれば、メカニズムが細胞でも働いていることを証明できると考えています。この目標のもと、光遺伝学的手法などを用いて、細胞骨格動態及び機能を自在に操作する技術の開発に取り組んでいます。

How can we verify that the mechanisms revealed by the reconstitution experiments are working in living cells? We believe that if we can manipulate biological functions of living cells as predicted by the mechanisms revealed by reconstruction experiments, we can prove that the mechanisms do work in living cells. To this end, we are developing a method to manipulate cytoskeletal dynamics and biological functions using optogenetics and other technologies.

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