“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 1
September, 2013	 

新 学 術 領 域 	 「 生 命 分 子 シ ス テ ム に お け る 動 的 秩 序 形 成 と 高 次 機 能 発 現 」 が 	 ス タ ー ト し ま し た 	 
領域代表：加藤晃一（自然科学研究機構	  岡崎統合バイオサイエンス	  センター）

タが爆発的な勢いで蓄積されていることは周知の事実です。しかしながら、これらの分子素子が、ダイナミックな相互作用を通じて自己組織化し、高次機能を発現するための秩序構造を形成する仕組みについては、これまで現象論的な記述に止まっており、分子科学・物私たちが提案していた新学術領域「生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能発現」が採択され、理化学の観点に立脚したアプローチは驚くほど乏しいのが実情でした。

本年度から研究活動を開始するはこびとなりました。

一方、こうした分子の自己組織化の問題は、化学のニュースレターの刊行にあたり、本新学術領域の形成分野では低分子の集積によるナノ構造体の創出を目指に至る背景と趣旨を述べさせていただきます。

した超分子科学の問題として取り扱われてきました。
すなわち、巧妙にデザインされた低分子が自発的に集私たち人間を含めた生命体は、多種多様な分子素子積する性質を利用して、一定の空間秩序をもったナノから構成されており、生命活動はこれら分子集団の秩構造体を作り、元々の要素ではもち得なかった機能を序だった振る舞いとして捉えることができます。前世生み出すことを目指した研究が見事に展開されてきて期の末期に勃興したゲノムサイエンスに端を発するオいます。しかしながら言うまでもなく、生命分子の自ミクスアプローチの進展により、生命体を構成する分己組織化は非生体系の場合に比べて遥かに複雑です。

子素子に関する情報が急速かつ網羅的に明らかにされ生命分子システムの特徴は、構成要素が複雑かつ柔てきました。例えば、タンパク質の 3 次元構造のデー軟であること、そしてそれらが弱い相互作用を通じて集積して、独自の非対称性と運動性を有する巨大な集合体を形成することが特質です。さらに重要なことは、生命分子は単に集合して一定の構造体を作るだけでなく、いったん組みあがった構造体が自律的に変容していき、極端な場合は解体していくというプロセスがシステムの中にプログラムされております。こうした分子のダイナミックな集合と離散のプロセスを通じて、例えば神経系の高次機能に関わる細胞の形態変化は発現しています。離合集散する生命分子集団による動的秩序形成のメカニズムを解明することは生命の本質的な理解につながるはずです。またそれにより、人工超分子系に生命分子の特質を賦与する手掛かりが得られるものと期待されます。そもそも、分子集団がいかなるプロセスで自己組織化されるのかという問題は、生体分子に限らず、非生体系の超分子科学においても未開拓な研究領域です。こうしたプロセスの詳細を探求

生命分子システム：多数のパーツからなるパズルはいかにして組み立てられるのか？	 

することを通じて得られる知見は、生命システムの秩序形成の理解の基盤になることも期待されます。

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このように多様なバックグラウンドの研究者が明確な問題意識を共有して英知を結集することにより、生命分子の動的秩序形成の理解に向けた強固な分野横断的研究体制を構築しています。さらに本領域の広がりを考慮した場合、自由な発想に基づいて研究を推進する若手研究者そして女性研究者を、様々な研究分野から広く公募することが重要であると考えています。
こうした活動を推進することで、生命分子システムの秩序形成原理を統合的に理解するとともに、そのデザインルールを取り入れた人工システムの構築が進展	 するものと期待しています。それにより、自律的に時生命分子システムにおける動的秩序形成の概念図	 間・空間を創出して発展する分子の集団、相互にコミュニケーションする分子集団、環境応答能や自己修復能

このような考えのもと、私たちは、を有する分子の集団の持つ性質を解明し、得られた知●分子が自律的に集合する物理化学的メカニズムは何見に基づいて人工的な生命システムを創生するためのか？

指導原理を導き出すことが本新学術領域の大きな目標●分子の離散過程はどのようにプログラムされているです。
本領域の活動を通じて、生命科学の深化と分子科学のか？
●人工系で分子の動的秩序を精密制御する指導原理はにおけるパラダイムシフトがもたらされますよう、班何か？

員の皆様のご活躍とご協力を期待しています。さらに、という分子科学の根本的な問題に取り組むことの重要これまで異なるフィールドで活躍してきた科学者の学性を認識し、本研究課題を提案いたしました。

際的な連携と議論を可能とする「知の梁山泊」を構築することが領域代表としてのつとめであると考えていそのために、生命分子科学と超分子科学に加えて実ます。
どうぞよろしくお願い申し上げます。

験物理科学および理論・計算科学、さらに生体分子工学と細胞生物学の第一線の研究者が一丸となって、生命分子システムの動的秩序と高次機能発現という問題に取り組むことを計画しています。具体的には、生命分子システムにおける「A01 動的秩序の探査」、「A02動的秩序の創生」、「A03 動的秩序の展開」という 3 つの項目を研究の柱として設定しました。
A01 班は、分子の集団が自律的に集合するプロセスを精密に探査することを可能とする実験と理論の融合研究を実施して、そのメカニズムを理解することを目的とします。A02 班は、生命分子科学と超分子化学のアプローチを統合することを通じて、生命分子システ	  多様なバックグラウンドの研究者が英知を結集する	 ムの特質を具現化した動的秩序系を人工構築すること分野横断的研究体制を目指します。さらに A03 班は、生命分子の自己組織化系のデザインルールを明らかにするとともに、外的	 摂動に対するシステムの不安定性とロバストネスを解明することを通じて、高次機能発現に至る時空間的展開の原理を理解することを目標に据えています。

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研 究 内 容 	 
生命現象の特徴は、内的複雑性を秘めた柔軟な分子かにする。すなわち、巨大な森全体のフェーズの変動素子がダイナミックな離合集散を通じて秩序構造を形を見詰めつつ、それを構成する木々の個々の枝葉の振成し、それが自律的に時間発展していくことにある。

る舞いを捉え、両者を相関づけることにより、生命分

本領域は、化学・物理・生物の分野横断的な連携研究

子システムの自己組織化の設計原理を学ぶ。このようを通じて、生命分子が動的な秩序を形成して高次機能にして得られた分子集団の振る舞いと機能発現の連関を発現する仕組みを分子科学の観点から解き明かすこを探査し、そのメカニズムを解明する。とを目指す。具体的には、以下の 3 つの項目を研究の・佐藤	  啓文（班長）柱として、新たな学術の創生を目指す。

「分子集積と秩序形成の分子理論」
・寺嶋	  正秀

A01「動的秩序の探査」	 

「動的秩序・崩壊のダイナミクスから観る高次機能分子の集団が自律的に集合するプロセスを精密に探査することを可能とする実験と理論の融合研究を実施	  発現の分子機構解明」

して、そのメカニズムを理解する。例えば、オリゴマー・上久保	  裕生タンパク質、アミロイド、ウィルス、生体膜のラフト「機能を生み出す単位生体分子集団（機能モジュール）構造などを対象にその形成過程を溶媒分子の動態も含	  の動的秩序の探査」

めて精密観測し、秩序形成のメカニズムを解き明かす。
A02「動的秩序の創生」	 

量子ビーム溶液散乱や時分割レーザー分光法などを用いて得られる分子集団のマクロ情報と、核磁気共鳴分

生命分子科学と超分子化学のアプローチを統合する

光法などによって得られる原子レベルのミクロ情報をことを通じて、生命分子システムの特質を具現化した収集し、両者を橋渡しする理論・計算科学のアプロー

動的秩序系を人工構築する。例えば、自己集積能を有チを組み合わせて、ダイナミックな生命分子集団によする非生体系分子に生命分子の特質を賦与することにる秩序構造の形成におけるミクロ‐マクロ相関を明ら

より、時空間的非対称性を有する人工的な動的秩序形	 
本領域の 3 つの柱	 3

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成システムの設計・創生を行う。そのために、ファンた研究を通じて、生命分子の離合集散に基づく秩序のデルワールス力をはじめとする弱い相互作用の制御、展開の原理を探求する。

自己組織化ダイナミクスを考慮した精密な分子設計など、生命分子の自己組織化システムのデザインルール・加藤	  晃一（班長）を取り入れていくことを目指す。また、本来複雑な生「生命分子の動的秩序形成におけるミクロ‐マクロ命システムの中から抽出した少数の要素のみで動的秩	  相関の探査と設計原理の探求」

序を再構成することも本研究の範疇に含まれる。こう・岡本	  祐幸

した目的のためには、非天然アミノ酸や人工糖鎖など「生体分子集団および人工分子集団の相互作用とを用いた分子改変はもとより、生命分子と人工分子の	  大規模構造転換」

大胆なハイブリッド化によるサイボーグ分子の設計・・稲垣	  直之創出も積極的に実施する。これらの研究を通じて創生「生体分子素子の自己組織化による細胞の動的秩序されたシステムは生命分子システムの秩序形成機構を	  形成」

理解するうえでも重要な示唆を与えるものと期待される。
・平岡	  秀一（班長）「分子表面の精密デザインに基づく人工系における	  自己組織化制御」
・芳坂	  貴弘「生命分子システムの有機化学的拡張による動的秩序	  の創出」
・佐藤	  宗太
「生体分子系を模倣した動的秩序をもつ人工分子の	  開発」A03「動的秩序の展開」	 
生命分子の自己組織化系のデザインルールを明らか

本領域の総括班メンバー	 にするとともに、外的摂動に対するシステムの不安定性とロバストネスを解明することを通じて、高次機能発現に至る時空間的展開の原理を理解する。生命分子新学術領域研究（平成 25−29 年度）

集団においては、ある秩序相の破綻が乱雑な状態への「生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能回帰というよりはむしろ、別の秩序相への転移へと展	  発現」（略称『動的秩序と機能』）開することが本質的な特徴となっている。そのために、

ホームページ：http://seimei.ims.ac.jp/

生命分子システムは秩序構造に内在する不安定性を積事務局 e-mail：seimei@riron.moleng.kyoto-u.ac.jp	 

極的に活用して時間発展を遂げ、高次機能を巧妙に調領域ロゴマーク：	 

節しているものと考えられる。そのため、生命分子の集団を対象に、一度組み上がった集合体が、自律的に変容して新たな秩序相へ展開する仕組みを探求する。
また、生命分子システムが様々な外的摂動を受けた際の動的秩序形成に及ぼす影響を実験的・理論的に解析し、システムのロバストネスと不安定性、環境応答性に関する情報を収集することにも重点を置く。こうし	 4

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サマーススクール 2013 「 Bioorganization 」報告 	 山口拓実（自然科学研究機構	  岡崎統合バイオサイエンスセンター）
平成 25 年 8 月 22 日から 24 日まで、自然科学研究機
構岡崎統合バイオサイエンスセンターならびに総合研
究大学院大学統合生命科学教育プログラムによるサマースクールが開催されました。このサマースクール
は、学際的な生命科学研究に対応できる研究者の育成を目的として、国内外の大学院生や若手研究者を対象に年ごとにテーマを決めたセミナーを行っているものです。今年度は「Bioorganization」を主題に、本新学術
領域研究「生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能発現」共催のもと、生命システムにおける動講義風景の１コマ：熱心に聞き入る参加者秩序形成の理解を深めることを目指した多彩な講義や参加者相互の交流会が実施されました。本領域からも、領域代表の加藤晃一先生をはじめ、稲垣直之先生、菅原正先生が講師を務められ、基礎的な内容から最先端の研究成果に至るまで魅力的な講義をされました。真
夏の暑さも心地よく感じる程に熱のこもった、充実の講義プログムは以下のとおりです。
"Dynamic organization of biomolecular systems forpromotion of integrative functions" Koichi Kato, Okazaki
Institute for Integrative Bioscience"Can materialism explain life?: Life principle learned frombacterial flagella motor" Michio Homma, Nagoya
University"Two-photon imaging of neuronal activity in awake mice"
Masanori Matsuzaki, National Institute for Basic Biology"Metal ions and biological reactions" Hiroshi Fujii,Okazaki Institute for Integrative Bioscience"Disruption of tissue organization by the defects in stem
cell function: Mechanisms for the development of cancerand mental disorders" Atsushi Enomoto, Nagoya University"Mechano-systems biological analysis of neuronal polarity
formation and axon guidance"

Naoyuki Inagaki, Nara

Institute of Science and Technology"Artificial cell viewed as a molecular system" Tadashi
Sugawara, Kanagawa University"Regulation of neuronal functions by mRNA transportgranules" Nobuyuki Shiina, Okazaki Institute forIntegrative Bioscience"The frontier in protein–clock system 〜How doorganisms measure time?〜" Shuji Akiyama, Institute for
Molecular Science"Dynamics of complex biological systems
determined/controlled by minimal subsets of molecules inregulatory networks" Atsushi Mochizuki, RIKEN
講義の内容は分子、細胞、組織から個体レベルにまでおよび、またそのアプローチも生物物理学、錯体化学、細胞生物学、数理科学など多岐にわたりました。
大きな学会やシンポジウムでもなかなか実現しないであろうバラエティに富んだプログラムながら、「Bioorganization」というキーワードで見事に紡がれた一連の講義からは、「生命分子の動的秩序形成」研究の重要性と難しさ、そして面白さをあらためて実感させられました。
一方、学部 1 年生から企業の方まで総勢 70 名を超した参加者には、タイ、台湾、中国、インドといった国外からの参加者をはじめ 29 名の外国人学生・研究者が含まれ、会場内は国際色豊かな雰囲気と講義内容に負けず劣らずの活気に満ちていました。少しテーマが難5

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しいかもしれないと心配もしましたが、皆さん講義には熱心に耳を傾け、ときに疑問や意見をぶつけ、休憩時間ともなると先生方を囲んで談笑するなど、サマースクールを満喫している様子でした。参加者同士の交流も盛んに行われ、学生さんたちにとって貴重な時間・経験になったのではないかと思います。私自身にとっても、勉強に交流に大変有意義な会でした。
このサマースクールに集まった若手研究者（とその卵たち）のほとんどは、おそらく「生命システムの動秩序」というテーマに初めて向かい合い、それぞれがここで得た刺激を胸に各々の場所で新たな活躍を続けていくことと思います。加藤代表も挨拶で述べられましたが、それはまさに、動的秩序形成と高次機能発現の概念そのもののようです。素晴らしいサマースクールを作り上げていただいた講師・参加者の皆様、そして会の準備・運営に尽力してくださったスタッフの皆様にあらためて御礼申し上げます。どうもありがとうございました。	 	 	 	 熱のこもった講義をされる稲垣先生と菅原先生	 

サマースクール 2013「Bioorganization」集合写真

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