タンパク質パターン形成の生物物理学的メカニズムを解明(Biophysics: Pattern formation of protein pattern interfaces)

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2025-12-02 ミュンヘン大学

LMUミュンヘンの研究チームは、細胞膜上で生じるタンパク質パターン形成の“境界”(インターフェース)が、どのようにして安定化し機能を生み出すのかを生物物理学的に解明した。多くの細胞内プロセスでは、極性形成やシグナル分配のためにタンパク質が膜上で空間的パターンを構築するが、その「境界領域」の物理原理はこれまで不明だった。研究者らは、数理モデルと再構成実験を組み合わせ、拡散、結合・解離、活性化・不活性化といった反応が相互作用することで、勾配の鋭い安定したパターン境界が自発的に生じることを示した。また、この境界が外部刺激に応じて移動・再編成され、細胞の応答性を決定づける役割をもつことも判明した。これらの成果は、細胞極性、胚発生、免疫シグナリングなど多様な生命現象の基盤を理解するうえで重要な洞察を提供する。研究は生物物理学におけるパターン形成原理の統一的理解に寄与するものとされる。

<関連情報>

有効界面張力から生じるタンパク質パターンの形態とダイナミクス Protein pattern morphology and dynamics emerging from effective interfacial tension

Henrik Weyer,Tobias A. Roth & Erwin Frey
Nature Physics  Published:02 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-025-03101-6

タンパク質パターン形成の生物物理学的メカニズムを解明(Biophysics: Pattern formation of protein pattern interfaces)

Abstract

For cellular functions such as division and polarization, protein pattern formation driven by NTPase cycles is a central spatial control strategy. Operating far from equilibrium, no general theory links microscopic reaction networks and parameters to the pattern type and dynamics in these protein systems. Here we discover a generic mechanism giving rise to an effective interfacial tension organizing the macroscopic structure of non-equilibrium steady-state patterns. Namely, maintaining protein-density interfaces by cyclic protein attachment and detachment produces curvature-dependent protein redistribution, which straightens the interface. We develop a non-equilibrium Neumann angle law and Plateau vertex conditions for interface junctions and mesh patterns, thus introducing the concepts of ‘Turing mixtures’ and ‘Turing foams’. In contrast to liquid foams and mixtures, these non-equilibrium patterns can select an intrinsic wavelength by interrupting an equilibrium-like coarsening process. Data from in vitro experiments with the Escherichia coli Min protein system verify the vertex conditions and support the wavelength dynamics. Our study shows how interface laws with correspondence to thermodynamic relations can arise from distinct physical processes in active systems. It allows the design of specific pattern morphologies with potential applications as spatial control strategies in synthetic cells.

生物工学一般
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