Research
Simple to Complex: Cell-free Synthetic Biology and Evolution
進化とデザインで創る生命科学
我々のグループでは、
１） 生物を構成する部品を組み合わせ、特定の機能に特化した無細胞分子システムを創り
２） 無細胞分子システムを用いてタンパク質あるいは分子システム自体を進化させる
ことを目指しています。これにより、生命誕生の初期に存在したであろう原始細胞の性質を明らかにするとともに、実用化に資する分子や分子システムを構築します。
Our group aims to
1) combine the components of living organisms to create molecular systems with specific functions,
2) use molecular systems to evolve proteins or molecular systems themselves
In this way, we will elucidate the nature of primitive cells that would have existed in the early stages of life, and simultaneously construct molecules and molecular systems that will contribute to practical applications.
単純な生き物の一つである大腸菌でさえも数千万個の以上の部品から構成されています。内部では数億以上の化学反応が同時に進行しています。このような高度な複雑性にも関わらず、
・ わずか20分で自らのコピーをほとんど間違えることなく正確に作り出すことができる
・ 温度変化、栄養源の変化など様々な環境変化に適応することができる
・ 人工的には作ることが難しい複雑な化合物を作り出すことができる
このような驚くべき性質はどのようにして産まれたのでしょうか。答えは進化にあると考えます。現存する生命は全て進化の産物です。従って、我々が進化を実験室で再現できれば、現存する生命がどのようにできあがってきたのか（生命の起源）の一端を理解できるかもしれません。加えて実験室で進化という力を用いることで実用化に資する分子や分子システムを創り出すことができるかもしれません。
生き物は突然できあがったと考えるよりは、単純な生き物（物体？）から次第に高度化・複雑化していったと考える方が妥当です。我々は、このプロセスを実験室で再現しようとしています。つまり、まず生物を構成する細胞の部品（分子）を組み上げて特定の機能に特化した分子システムを創ります。この分子システムは、細胞の部品から構成されますが、細胞を含まない分子集合体です。従ってここではこの分子システムを無細胞分子システムと呼びます。
次に、変異と選択を繰り返す進化というプロセスを用い無細胞分子システムを高度化してゆきます。生命の進化の多くは千年、万年の時間スケールで進行したと考えられています。一方で、タンパク質や核酸分子を対象とした場合、それよりも、かなり短い時間（１日〜数年）で実験室で人工進化を実現できることが示されています（定方向進化、directed evolutionと呼ばれています）。我々のグループでは、定方向進化の原理を無細胞分子システムの進化に適用し、システムの進化という現象を目の前でつぶさに観察し、これを理解することを目指しています。加えて、実用化に資する分子や分子システムを創り出すことで人類の発展に貢献したいと考えています。
Even one of a simple living organism, E. coli, is made up of more than tens of millions of parts. Inside, there are more than hundreds of millions of chemical reactions going on at the same time. Despite this high degree of complexity, it can produce exact copies of itself in as little as 20 minutes with little to no mistakes, it can adapt to a variety of environmental changes such as temperature changes, changes in nutrient sources, and so on, and it can produce complex compounds that are difficult to make artificially. How did these amazing properties come about? We believe the answer lies in evolution. All life on earth is a product of evolution. So if we can recreate evolution in the laboratory, we may be able to understand part of how life came to be, which is the origin of life. In addition, by using the power of evolution in the laboratory, we may be able to create molecules and molecular systems that are useful for practical applications.
Rather than assuming that living things came into being suddenly, it is more likely that simple creatures (objects?) It is more plausible to think that this process gradually increased in sophistication and complexity from We are attempting to replicate this process in the laboratory. In other words, we first assemble the cellular components (molecules) that make up an organism to create a molecular system specialized for a specific function. This molecular system is an assembly of molecules consisting of cellular components, but without cells. Therefore, we call this molecular system a cell-free molecular system.
Next, we use a process of repeated mutation and selection to advance the cell-free molecular system. Most of the evolution of life is thought to have proceeded on a time scale of 1,000 to 10,000 years. On the other hand, it has been shown that artificial evolution can be achieved in the laboratory in a much shorter period of time (from one day to several years) than that for proteins and nucleic acid molecules (called directed evolution). Our group applies the principle of directed evolution to the evolution of cell-free molecular systems and aims to observe and understand the phenomenon of system evolution in detail. In addition, we would like to contribute to the development of humanity by creating molecules and molecular systems that contribute to practical applications.
Projects
Artificial cell assembly and its application（人工細胞の構築とその応用）
In vitro directed evolution of membrane proteins（膜タンパク質の進化分子工学）
