| Project Area | Bottom-up creation of cell-free molecular systems: surpassing nature |
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| Project/Area Number |
21H05229
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
川野 竜司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90401702)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川村 出 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20452047)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥141,180,000 (Direct Cost: ¥108,600,000、Indirect Cost: ¥32,580,000)
Fiscal Year 2024: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000)
Fiscal Year 2023: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥47,710,000 (Direct Cost: ¥36,700,000、Indirect Cost: ¥11,010,000)
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| Keywords | De novo細胞膜 / 膜分子システム / 電気化学 / マイクロ流体 / 固体NMR / 膜輸送体 / 脂質二分子膜 / マイクロデバイス / 人工二分子膜 / マイクロ工学 / de novo設計 / 合成高分子膜 / 二分子膜 / 無細胞合成 / 進化工学 / De novo設計 / 人工細胞膜 / ナノポア計測 / 膜ペプチド |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、タンパク質、核酸、脂質など生物を構成するバイオ分子および、関連化合物を組み合わせ、天然の細胞にはない分子システムをボトムアップに作るための学理を構築することにある。そのために、単なる生細胞の再現ではなく、細胞機能の一部を取り出し、その本来の機能を制御し、応用可能・社会実装可能な超越分子システムを構築する。それを実現するため、変異と選択を繰り返し最適解を得る進化工学と、有機合成、統計科学、デバイス工学など技術を融合させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、天然には存在しない人工の細胞膜をボトムアップ的に設計（de novo設計）し、一分子計測や環境中で作動するマイクロロボットの開発を行う。具体的には、これまでリン脂質で構成されてきた脂質二分子膜部分を両親媒性の人工分子に置きかけ、より高機能な人工細胞膜を構築する。そこに人工的に設計した膜輸送体の組み込みを目指す。例えば、de novo設計したアミノ酸配列のペプチドを、細胞膜を構成する脂質二分子膜中に埋め込むことで、標的分子を検出可能なナノポア（ナノ細孔）や、脂質膜内外の物質輸送を制御可能な膜輸送分子を開発する。また、これら構築したペプチド-脂質膜を分子同士で作るシステムとみなし、進化工学と組み合わせ探索による複数の分子で構成された分子システムの最適化のための学理を構築する。
これまで申請者は、タンパク質よりも安定で簡便に化学合成可能なペプチドのアミノ酸配列をde novo設計し、一分子ナノポア計測に成功している（Nature Nanotech. 2022）本研究では膜の内外を輸送する人工輸送体、および膜自体を工学的に設計再構築する手法について、それぞれの要素の相互作用解析により検討を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究開始から、毎月一度の総括班会議・領域セミナーを開催し、領域の運営、領域内共同研究について打ち合わせを継続して行っている。6月には農工大で外国籍研究者を含めた国際セミナーを開催した。C01班では、無細胞膜システムの構築を行っているが、この中でB01班と新規βバレル膜タンパク質の再構成の試み、B02班と進化工学による膜ペプチドのセレクション、膜輸送体の改変について検討を行っている。D01班とは膜輸送体分子と二分子膜構成分子との組み合わせ最適化について議論中である。これらの共同研究に伴い、新規の研究設備の導入、研究員さんのプロモーションなどを行っている。また第一回目の領域会議・若手の会を北海道で開催し、領域のニュースレターを発行した。
分担者の川村グループでは、細胞膜分子システムの固体NMR構造解析法の一つとして、レチナールタンパク質の極大吸収波長とシッフ塩基の窒素15の化学シフトとの相関を明らかにした。分子サイバネ超越分子の合同ワークショップで成果を発表した。また、複数の計画班及び公募班のグループと領域内共同研究を開始し、NMR実験を行った。今後、データ解析および再実験を進めていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、両親媒性高分子を用いた人工二分子膜の構築と、そこへの膜輸送体・ナノポア分子の再構成を行う。昨年度、ドラッグデリバリー分野で開発が進んでいる、両親媒性のジブロック、トリブロックポリマーを平面膜として構築した。この知見を活かして今年度は人工配列設計したペプチドで二分子膜を作成・評価する。また膜ペプチドや膜タンパク質ナノポアに関しては、進化工学及び組み合わせ最適化により、高機能なポアのセレクション手法確立を目指す。川村グループでは、細胞膜分子システムの反応場である水和膜環境において、ナノポアペプチドなど種々の分子間相互作用検出のための固体NMR実験条件の検討をさらに進める。
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