ホメオスタシスは生体における基本的特徴であり、生化学反応と調節フィードバック系の複雑な相互作用から生じる。本研究では、このような自己制御的挙動を最小限の合成細胞に再構成することで、生化学反応を長時間にわたり連続的かつ持続的に作動させることを可能にする。ここでは、DNAナノテクノロジーおよびボトムアップ合成生物学を用いて、自律的なフラックス制御を行う最小限のホメオスタシス合成細胞を実証する。我々のホメオスタシス構造は、ゲート付きDNAナノポアを備えた巨大単層リポソーム（GUV）であり、試験管内転写（IVT）機構とRNA分解システムを内包している。外部の化学刺激の条件が変化する場合でも、rNTPの濃度を特異的に変化させながらホメオスタシスを達成するには、rNTP流入とRNA産生の間に負のフィードバックループを実装する。この系では、DNAナノポアが外部環境からrNTPを流入させ、それによって内部で転写を駆動する。重要なのは、転写プロセスによってRNA「ブロッカー」が生成され、これがDNAナノポアに結合してゲーティングすることで、さらなるrNTP流入を減衰させる点である。系全体は動的であり、カプセル化したRNaseがRNAブロッカーをゆっくり分解するため、ブロッカー濃度が低下するとポアが再び開く。まず、DNAナノポアの機能とゲーティング効率を、合成済みおよびその場で作製したDNAとRNAブロッカーの両方を用いて特徴づける。次に、これらのポアを通るrNTPフラックスがGUV内でIVTを駆動するのに十分であることを示す。最後に、これらのモジュールを統合することで、頑健なホメオスタシスを実証する。すなわち、本システムは最大16時間にわたりRNA産生の定常状態レベルを維持する。負のフィードバックループの制御可能性を利用することで、一本鎖レギュレーターDNAを用いたホメオスタシスレベルの閾値化も示す。本研究は、適応的で自己持続的な応答性ナノ材料および合成細胞シャーシを設計するための汎用的枠組みを確立する。
https://doi.org/10.64898/2026.09.01.748542