超高感度バイオマーカー・ウイルス検出を実現する人工細胞センサーのボトムアップ構築

• Project Area: Bottom-up creation of cell-free molecular systems: surpassing nature
• Project/Area Number: 21H05226
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 築地 真也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40359659)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺井 健太 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学域), 教授 (20616073)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥148,330,000 (Direct Cost: ¥114,100,000、Indirect Cost: ¥34,230,000); Fiscal Year 2025: ¥25,350,000 (Direct Cost: ¥19,500,000、Indirect Cost: ¥5,850,000); Fiscal Year 2024: ¥24,700,000 (Direct Cost: ¥19,000,000、Indirect Cost: ¥5,700,000); Fiscal Year 2023: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2022: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2021: ¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000)
• Keywords: 人工細胞 / バイオセンサー / バイオマーカー / 情報伝達 / シグナル増幅

Outline of Research at the Start

本研究では、人工合成分子、脂質、タンパク質、蛍光プローブといった異種分子材料を組み合わせ、極微量のバイオマーカーやウイルスを超高感度に検出可能な「人工細胞センサー」をボトムアップ構築することを目的とする。血液や唾液などのサンプル中の極微量のバイオマーカーやウイルスを短時間で超高感度に検出可能な人工細胞センサーを構築し、デバイス設計に必要な分子設計指針を明らかにすると同時に、革新的な次世代デジタル診断技術や体内感染診断技術へ展開する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、人工合成分子、脂質、タンパク質、蛍光プローブといった異種分子材料を組み合わせ、極微量のバイオマーカーやウイルスを超高感度に検出可能な「人工細胞センサー」をボトムアップ構築することを目的とする。本年度は以下の成果を達成した。
1）昨年度までに、特定のバイオマーカー（加水分解酵素）に応答してリポソーム内のタンパク質レポーターの膜移行を誘導する合成レセプター化合物の設計原理を確立している。本年度はまずその化合物構造の最適化を行なった。さらにその原理の適用範囲を検討するために、複数の異なるバイオマーカー酵素に対する合成レセプター化合物を創製した。それらの化合物はいずれも標的特異的な応答を示すことが明らかとなり、計3種類のバイオマーカー酵素に対応した合成レセプター化合物および人工細胞センサーを構築した。
2）1で確立したタンパク質膜移行の原理を発展させ、特定のバイオマーカー酵素に応答して内水相が光る人工細胞センサーシステムの設計に取り組んだ。これまでに、タンパク質膜移行を誘導する合成レセプター化合物と分割型タンパク質レポーターを組み合わせることで、標的バイオマーカー酵素の存在下でのみ分割型タンパク質レポーターの膜移行と再構成を誘導できることを見出しつつある。本年度はそのさらなる最適化と蛍光プローブの検討を行い、標的バイオマーカー酵素の存在を蛍光増幅シグナルとして読み出すことのできる、より高感度な人工細胞センサーの創製に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上記のように本年度は、超高感度人工細胞センサーをボトムアップ構築するための要素システムの確立と最適化を達成した。増幅効率に関しては更なる改善の余地があるものの、人工合成分子、脂質、タンパク質という比較的シンプルな構成成分で、バイオマーカーの検知から情報伝達、シグナル増幅まで実現できる人工細胞センサーシステムを創製できた点は特筆に値する。また、現在は合成化合物を人工レセプターとして使用しているが、膜貫通型人工タンパク質をリポソーム膜に組み込むための試みも検討を始めており、より高次な情報伝達機能を持つ人工細胞の構築へ向けて着実に研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

今後はこれまでに確立した要素システムのさらなる改良と最適化を進めると同時に、膜を介した情報伝達とシグナル増幅のための新たな化学原理の構築を目指す。また、社会実装を視野に、人工細胞センサーを基盤とした新規バイオマーカー・がん診断ツールとしての応用に着手する。

Research Products

• [Journal Article] ORP9-PH domain-based fluorescent reporters for visualizing phosphatidylinositol 4-phosphate dynamics in living cells (2024)
  • Author(s): Moeka Ajiki, Masaru Yoshikawa, Tomoki Miyazaki, Asami Kawasaki, Kazuhiro Aoki, Fubito Nakatsu, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: RSC Chemical Biology Volume: － Issue: 6 Pages: 544-555
  • DOI: 10.1039/d3cb00232b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Palmitoylation-dependent small-molecule fluorescent probes for live-cell Golgi imaging (2023)
  • Author(s): Shunsuke Sawada, Masaru Yoshikawa, Keita Tsutsui, Tomoki Miyazaki, Keiko Kano, Emi Mishiro-Sato, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: 18 Issue: 5 Pages: 1047-1053
  • DOI: 10.1021/acschembio.3c00046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Miniaturized synthetic palmitoylation motifs for small-molecule localization in living cells (2023)
  • Author(s): Sachio Suzuki, Masaru Yoshikawa, Shunsuke Sawada, Neal K. Devaraj, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 34 Issue: 1 Pages: 169-173
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.2c00517
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A photoactivatable self-localizing ligand with improved photosensitivity for chemo-optogenetic control of protein localization in living cells (2022)
  • Author(s): Tatsuyuki Yoshii, Choji Oki, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters Volume: 72 Pages: 128865-128865
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2022.128865
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A chemogenetic platform for controlling plasma membrane signaling and synthetic signal oscillation (2022)
  • Author(s): Sachio Suzuki†, Akinobu Nakamura†, Yuka Hatano, Masaru Yoshikawa, Tatsuyuki Yoshii, Shunsuke Sawada, Kyoko Atsuta-Tsunoda, Kazuhiro Aoki, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 29 Issue: 9 Pages: 1446-1464
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2022.06.005
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Bottom-up construction of synthetic cell sensors for biomarker detection (2024)
  • Author(s): Keita Tsutsui, Masaru Yoshikawa, Tomoaki Matsuura, Shinya Tsukiji
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] 合成分子と生体分子とリポソームで人工細胞センサーを創る (2023)
  • Author(s): 筒井啓太、吉川優、築地真也
  • Organizer: 第2回生命工学研究会
• [Presentation] 疾患バイオマーカーを検知可能な人工細胞蛍光センサーの開発 (2023)
  • Author(s): 筒井啓太、吉川優、松浦友亮、築地真也
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）超越分子システム 2023年度領域会議
• [Presentation] 合成情報伝達を可能にする人工メンブレンレスオルガネラのボトムアップ構築 (2023)
  • Author(s): 深谷陽子、吉川優、築地真也
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）超越分子システム 2023年度領域会議
• [Presentation] 人工細胞バイオセンサーの開発 (2023)
  • Author(s): 筒井啓太、吉川優、築地真也
  • Organizer: 第1回ケミカルバイオ超分子研究会
• [Presentation] 化学インプットを用いた人工細胞内分子局在制御 (2022)
  • Author(s): 筒井啓太、吉川優、松浦友亮、築地真也
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 人工細胞内での分子局在制御と展開 (2021)
  • Author(s): 筒井啓太、吉川優、松浦友亮、築地真也
  • Organizer: 第52回中部化学関係学協会支部連合秋季大会