生物機能化学研究分野

エネルギー利用過程研究部門 生物機能化学研究分野
教授:森井 孝 准教授:中田 栄司 助教:仲野 瞬
タンパク質やRNA に狙った機能を発揮させるにはどのように設計すればよいか、そして「細胞の中」で機能しているタンパク質やRNA の精緻な組織体を、どのようにして機能を保ったまま「細胞の外」で構築するかを研究しています。これらの研究を通じて、人工光合成や人工代謝系のようなクリーンで高効率なエネルギーの生産や利用ができるタンパク質・RNA 組織体の構築を目指しています。

高効率なエネルギー利用を可能にするタンパク質やRNA のテーラーメイド設計原理を確立する

生物は、太陽光エネルギーを利用した植物の光合成で生産される化学エネルギーを、タンパク質・核酸・酵素などの生体高分子が利用して、生命活動を維持しています。これらの生体高分子やその複合体は、常温・常圧・水の中という温和な条件で、物質変換・運動・センシングをはじめとする機能を発揮して、高効率に化学エネルギーを利用しています。「分子認識」、「触媒」、「ナノ構造形成」、「太陽光エネルギー変換」などの、生物のエネルギー利用原理をささえる機能を発揮する生体高分子を、細胞の外でも使えるように新たに創り出すことで、有効に化学エネルギーを活用するためのクリーンで高効率なエネルギー利用システムが実現するはずです。最小限の大きさのタンパク質(ミニチュアタンパク質)やミニチュアタンパク質とRNA の複合体、そしてナノメートルの精度で配置されたタンパク質やRNA の組織体を、目的とする機能を発揮するように設計・構築して、生物に匹敵するエネルギー利用機能を発揮する方法論の確立を目指しています。

人工光合成の実現に向けたタンパク質・酵素ナノ構造体による分子コンビナートの開発

細胞内では、タンパク質やRNA などの生体高分子がナノスケールの空間中で特徴的な組織体を形成して、物質変換やシグナル伝達などの機能を発揮しています。DNA ナノ構造体を足場として利用して、複数のタンパク質、酵素、RNA などを1分子ずつ狙った場所に配置した「分子スイッチボード」によって、多段階の化学反応が細胞内の代謝反応のように高効率に進行する「分子コンビナート」を構築しています。この技術をもとにして、細胞の外での人工代謝システムや人工光合成システムの実現を目指しています。

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機能性RNA‒ ペプチド複合体の開発

ペプチドとRNA の複合体であるリボヌクレオペプチド(RNP)に、三次元構造をもとにした分子設計と進化工学手法を適用することで、標的とする分子に対するRNP リセプターが構築できます。さらに、RNP リセプターには新たな機能を付与する事が可能です。この段階的なRNP 機能化法によって、標的分子に狙った波長で応答する蛍光センサーや人工酵素を作製します。

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リセプタータンパク質を用いた細胞内蛍光センサーの創製

天然のリセプタータンパク質を基本骨格として用いて、合成化学的または遺伝子工学的手法によって構築した、細胞内シグナル伝達分子に対する蛍光センサーによって、細胞内シグナル伝達システムを可視化し、シグナル伝達機能の理解を進めます。

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エネルギー利用過程研究部門

講師:Arivazhagan Rajendran
DNA ナノ構造体を利用して、位相を制御した超分子集合体を構築します。そのような集合体を利用することで、分子スイッチやモーターや論理素子などの機能性材料の構築を目指します。

DNA ナノテクノロジーを駆使して機能性ナノ構造体を創造する

DNA は単に遺伝情報を伝達するためだけでなく、ナノ材料として大変魅力のある分子です。DNA が持つ高い分子認識能と自己集合能を利用してボトムアップ的手法により作製できるナノサイズの構造体が非常に注目されています。これまでに、DNA オリガミ法により作製したDNA ナノ構造体をさらに自己組織化させることで、マイクロメートルサイズの構造体を作製してきました。これらの構造体は、さまざまな生体分子と組み合わせることにより新しい機能性デバイスとしての利用が期待できます。
 現在、同じエネルギー利用過程研究部門の生物機能化学研究分野 森井 孝 教授らと、韓国のEwha Womans University のYoungjooKwon 教授らの研究グループと共同で、DNA ナノ構造体を利用して位相を制御した超分子集合体を構築し、その特徴を生かした機能性材料を構築することを目指した研究をおこなっています。これまでにも位相を制御した構造体が、DNA やDNA ナノ構造体の自在な成形能を利用して創られました。例えば、大環状の分子の穴を棒状の分子が貫通したロタキサン構造や2つ以上の大環状の分子の輪が絡み合ったカテナン構造などもDNA ナノ構造体を利用して作り出されてきました。しかしながら、これまでの研究は、ロタキサンやカテナン構造を作製することに注視しており、ロタキサンやカテナン構造の機能については、ほとんど注目されてきませんでした。
 最近我々は、DNA ナノ構造体のフレーム内で、DNA を利用してカテナン構造やロタキサン構造を作製することに成功しました。このような構造体は、生体内でDNA の位相構造を変化させる酵素の機能評価に利用できると考えられます。DNA トポイソメラーゼは、位相の異なるDNA構造体を変換する酵素で、生体内の様々な機能に関与していることが知られており、抗がん剤や抗生物質のターゲットとして注目されています。しかしながら、DNA トポイソメラーゼの阻害剤の作用機序は多様で、阻害剤がどの過程をどのように阻害することができるのかを詳細に調べることが必要です。DNA ナノ構造体のフレーム内に構築したカテナン構造やロタキサン構造のDNA をDNA トポイソメラーゼの基質として利用すると、これまでには観測できなかった阻害剤の作用機序を評価することができると考えています。
 現在、我々はDNA ナノ構造体上に構築したカテナン構造DNA やロタキサン構造DNA にトポイソメラーゼが作用する過程を、高速原子間力顕微鏡(HS-AFM)を用いた1分子観測により、詳細に観察することを目指しています。そして阻害剤が、多段階の反応機構のどの過程に関与するのかを区別して観測することを目指します。その上で、より効果的なDNA トポイソメラーゼ阻害剤のスクリーニングに応用することに取り組みます。

DNA オリガミフレーム内に構築されたロタキサン構造

DNA(上)とカテナン構造DNA(下)のイメージ図(左)とAFM 画像(右)

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