論文の解説

コレステロールは細胞膜の成分の一つであり、リン脂質分子の間に挟まって、膜の流動性を下げる働きを持っており、細胞膜の安定性に寄与しいる。細胞膜中のコレステロール量はおよそ20 mol% であることが分かっていたが、近年、細胞膜の成分を詳細に解析した結果、脂質二重膜の内、内側の膜は4 mol%, 外側の膜は40 mol%であることが報告された。本研究では、コレステロールが人工細胞においても膜区画の安定性を増すことを期待し、人工細胞膜にリン脂質 POPC に加えて、コレステロールを20 mol%　もしくは、 40 mol% 含ませた。その結果、コレステロールを加えた人工細胞では、37℃における、小分子の漏洩率が下がった。加えて、興味深いことに、コレステロールを40 mol% 含む人工細胞内では、転写反応と翻訳反応の効率が下がることが分かった。

図：準備中

テラヘルツ波は、次世代の移動通信システム（beyond 5G/6G)として注目されている遠赤外領域の波長域であり、電波と光波の中間の周波数領域に存在する電磁波である。近年、培養細胞へのテラヘルツ波照射により、温度変化に依存しない細胞分裂阻害やアクチンタンパク質の重合促進・脱重合阻害が報告されている。一方で、テラヘルツ波は細胞に対して作用しないという報告もされている。細胞を用いた実験系では、細胞のコンディションや、照射方法の制限、照射後にどのような時間でどのような表現型を測定するかによってその結果は変わること、そして、どのような波長のテラヘルツ波を照射するべきかが定まっていないことの二つの課題が、テラヘルツ波の生物への作用を解明する際の大きな障壁となっている。そこで本研究では、細胞様区画として、セントラルドグマ反応の一つである転写反応（DNA から RNA を合成する反応）を内封した人工細胞を用いて、転写反応を阻害するテラヘルツ波の探索を行った。テラヘルツ波は水に吸収されることから、まず、人工細胞の外液を乾燥させ、直接、テラヘルツ波を照射するための実験系を確立した（図参照）。そして0.19 THz と0.46 THz の波長のテラヘルツ波を照射したところ、0.46 THz のテラヘルツ波は、人工細胞内転写反応を阻害し、照射後に転写反応効率が向上することを見出した。

Ayu Shiomura, et al. 2022 の研究から負電荷脂質 POPG は人工細胞間の凍結融解による融合効率を向上することが分かった。そこで、この現象が、凍結融解による一酵素（転写酵素）の供給効率の向上につながるかどうかを検討した。まず、負電荷脂質を持つ人工細胞内での転写反応効率は、電荷を持たない人工細胞に対して下がることを見出した。一方で、凍結融解後の転写酵素の供給と 転写反応が駆動した人工細胞（active liposome)の割合は増加した。そのため、当初の期待通り、負電荷脂質による凍結融解融合効率の向上は転写反応にも適用できることが分かった。

図：準備中

リポソームの一種である、巨大一枚膜小胞（Giant Unilamellar Vesicle; GUV) 同士を、遠心により接着させ凍結・融解によって膜を破壊することで、内液の混合および膜の再編を伴うリポソーム融合を達成した。本手法は、簡便に何度も繰り返すことができ、本論文では、「RNA の複製反応」に必要な NTP や RNA 複製酵素（Qβ-replicase）を融合によって供給し、RNA の複製反応を「植え継げる」ことを示した。