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研究成果

公開日:2017.05.19

低い温度で体内時計が止まるメカニズムを解明
〜ブランコの物理学が明らかにする止まった体内時計の直し方〜

研究成果 芸術工学

 九州大学大学院芸術工学研究院の村山依子日本学術振興会特別研究員、伊藤浩史助教、お茶の水女子大学基幹研究院の郡宏准教授、早稲田大学理工学術院の岩崎秀雄教授らの研究グループは、低温で体内時計が止まってしまう原理を明らかにしました。
 私たちの寝起きのリズムは体内時計によって生み出されています。体内時計が生み出すリズムは低温下で停止することが、20世紀の中頃から昆虫や植物で報告されてきました。また同じ頃、数学や物理学の分野では、リズムの生まれ方や止まり方にどのような特徴があるのかについて考察を行い、いくつかの典型的なタイプに分類できることが明らかになりました。
 21世紀になって、バクテリアの体内時計を試験管の中に再現する実験手法が開発され、体内時計を高精度で調べることが可能になりました。研究グループはこの先進的な実験手法を用い、体内時計が低温時にどのように停止するのかを詳しく計測、解析しました。その結果、室温では強いリズムが存在しますが、温度を下げていくとリズムの振れ幅が小さくなり、そして、19℃以下ではリズムが止まってしまうことがわかりました。このようなリズムの停止の特徴は、数学上の分類であるホップ分岐と呼ばれるものと同じでした。これはブランコのリズムに例えることができます。つまり、室温では人がこいでいるブランコのように揺れ続けることができますが、温度を下げていくとブランコをこぐ力が弱くなり、19℃以下ではこぐのをやめた状況に対応します。
 研究グループは、このような体内時計とブランコの類似性から、次の実験を着想しました。ブランコは、たとえ乗り手がこぐのをやめていても、上手いタイミングで繰り返し押してやれば小さな力でも大きく揺らすことができます。そこで実際に、低い温度で止まってしまった体内時計にほぼ24時間のリズムで2℃の温度変化を与えました。すると、低温では決して現れないような強いリズムが観察されました。この現象は物理学でよく知られている共鳴現象とよばれているものと同じで、体内時計でも共鳴が起こることが初めて発見されました。
 また共鳴によって体内時計の振れ幅を大きくするという試みはコンピュータシミュレーションによっても再現できました。これはバクテリアのみならず、ヒトを含む他の生き物に共鳴現象を応用できる可能性を示唆しています。将来共鳴現象を使って私たちの体内時計をメリハリのあるものへと変えることができるかもしれません。
 本研究成果は、2017年5月17日(米国時間)に米国科学アカデミー紀要「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)」電子版に掲載されました。

室温では体内時計は自律して振動する。低温ではこぐのをやめたブランコのように揺れがだんだんと弱まってしまう。そこに周期的に刺激を与えればまた揺らすことができる。

研究者からひとこと

実験生物学者と理論物理学者が計画段階から協力した独自性の高い研究です。スルメのように噛むほど味のある論文になったと思っています。

論文情報

Low temperature nullifies the circadian clock in cyanobacteria through Hopf bifurcation ,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS),
10.1073/pnas.1620378114

研究に関するお問い合わせ先

芸術工学研究院 伊藤浩史 助教
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