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我々が構築しようとしている複雑系生命科学では、複雑で不安定なダイナミクスの中から増殖を通して生成された、普遍的な安定構造として、生命システムをとらえている。それゆえ、今ある生物をそのまま調べるのでなく、こちら側から十分コントロールした条件を設定した、「構成的生物学」研究を行なって、生命システムの普遍的な論理を明らかにしようとしている。その際に、はじめに、遺伝情報のような記号システムがあるのではなく、むしろ、多様な化学成分のおりなすダイナミクスがありその中からある程度安定した記憶構造が出現したと考えそのダイナミックな過程を与える論理を明らかにしようとしている。こうした研究を通して、生命システムのような「増えていく」系の普遍的構造の論理を取り出し、それにより、発生や進化の本質的理解を目指している。それができれば将来的には例えば再生がおこりうる生体組織の条件といった問いへの答えにもつながるであろう。 以上の基本方針のもと、主に以下のような研究テーマの遂行を計画している。
(１)細胞システムのプロトタイプの構築 DNAポリメラーゼ等を含む化学反応に系からの増殖する分子集団システムを構築し、その中から遺伝情報のような他をコントロールする分子(群)の出現を探る。これはまず試験管の中で行なっている。一方リポソームを用いて、増殖できる細胞膜を持つ構造を進めている。自己触媒性を持つ分子が膜合成をおこなう系の構築である。いったん増殖系ができればCombinatorial Chemistryと進化的な手法(増殖ー淘汰)を組み合わせることで、多様な化学成分を持つ、膜／細胞系の構築を目指していく。 次に、この増殖できる膜の中に試験管で作られた反応複製系を注入し、多様な化学成分を持ったプロト細胞が増殖し分化する系を構築する。これらのリポソームは(3)で作られた微小リアクターの中で反応しており、リポソームを空間的に並べることが可能である。そこで、プロト細胞が増殖し、分化し、パタンを形成する系の構成を目指す。一方、理論では、多様な化学成分が反応している要素が増殖とともに分化し、多細胞生物の原型をつくる様子が見出されているので、その論理とこの実験を結びつけることで細胞分化のプロトタイプを明らかにする。
(２)細胞集団のダイナミックな記憶と学習 (3)の施設により細胞集団を設計した状況に置く基盤をつくり、それにより、細胞をこちら側の設定した状況に置き、さらにこちらで設定した、電気的ないし化学的刺激をあたえることで、細胞集団の中に、記憶が蓄えられるかを明らかにする。まず、細胞の状態の履歴現象をとらえ、ついで刺激により、細胞集団としての記憶を生成する。いうなれば、細胞に対する「強化学習」や「条件反射」(パヴロフの犬)実験である。細胞については、神経細胞、植物のカルス細胞、粘菌、心筋細胞などを用いて細胞集団の記憶、発達過程を実験的に明らかにする。
(３)構成的手法の一般的手法としてのマイクロファブリケーション施設 構成的手法の一般的手法としてもっとも理想的なものは細胞システムをこちらでおいた状況に置き、それに対し外からコントロールした刺激を与えるための基板を自由に製造できる施設の完成である。これは今後の生命科学の基本施設になるであろうから、将来の規範にもなりうる施設を建設し、他の実験のための材料を提供する。
(４)アクチビンによりコントロールされた発生過程での分化ダイナミクスの解析 アニマルキャップからの未分化細胞がアクチビンの濃度によりどのように分化するかをセルソーターにより解析していく。セルソーターで取り出す細胞の性質をいくつか定め、その空間での細胞の分布が発生過程を通してどう変化するかについて、定量的に明らかにする。これにより、未分化細胞から順に決定されていく度合いがどのような細胞の性質やダイナミクスで表現されるかを求める。一方で、アクチビンなどの濃度の時間的コントロール、集団効果などを通して、発生での、時間順序、部分と全体の関係を調べて行く。
(５)表現型の分化と進化 相互作用による表現型の分化が遺伝型の進化を促すという新しい進化理論を11年度に提示した。一方で、相互作用による表現型の分化が大腸菌でおこることを確認している。そこで、この理論を実験室で検証するために、PCRを用いてこの大腸菌系の変異を加速し、表現型の分化と遺伝型の進化の関係を追って行く。
(６)細胞集団のダイナミックな過程を非破壊で測定できる装置の開発 多くの要因のネットワークの動的な特性をみていくのが我々の立場なので、特定の機能を担う遺伝子や分子を探すのでなく、化学成分の変動、そのときの細胞間の相関、細胞内の分子の多様性と細胞の性質の関係などを、非破壊で追うための装置を開発する。この測定装置と制御装置をくみあわせて、細胞状態に応じて外からコントロールする「オンチップセルソーター」の開発を行なう。これにより、単一細胞の性質と集団内での細胞の性質の違いを例えば大腸菌などを用いて明らかにする。
(７)力学系理論による発生、進化の論理の抽出 力学系理論を踏まえ、「理想化した」細胞が増殖、相互作用を通して、どのような発生過程を持つかを示す。さらに、そこから発生の安定性や不可逆な分化過程のための普遍的な論理を抽出する。ついで、このような細胞のダイナミクスと進化の関係を調べ、どのようなダイナミクスが選ばれるのか、さらにはどのような代謝／遺伝ネットワークが進化しうるのかを求める。ついで、このような増殖する細胞の中で、一部の化学成分が他をコントロールし、複製のための情報を形成しうるか、そうだとすればその論理は何かを明らかにする。また、発生過程を通して多細胞生物では集団としての大きさ、集団としての複製過程が現実している。この理由をできうるかぎり簡単な力学系で明らかにし、その際に、生殖細胞を通してでないと発生できないというような制約が何故生じるのかを求める。 一方、ダイナミックな記憶に関しては、力学系理論から、どのような記憶が可能か、短期／長期の区別の起源、そこでの学習の形式を明らかにし、実験への指針を与える。進化に関しては表現型からの分化からの遺伝型への固定という論理をふまえ、発生過程のダイナミクスの「柔軟さ」の度合と進化の関係、さらには多様性が増加して行くための条件を求める。