Development of a methodology for the energy-free long-term preservation of biological materials

• Project/Area Number: 15H02378
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Conservation of biological resources
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Sakurai Minoru 東京工業大学, バイオ研究基盤支援総合センター, 教授 (50162342)
• Research Collaborator: Kikawada Takahiro ; Shirakashi Ryo
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥41,210,000 (Direct Cost: ¥31,700,000、Indirect Cost: ¥9,510,000); Fiscal Year 2018: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2017: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2016: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2015: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
• Keywords: 乾燥休眠 / トレハロース / LEAタンパク質 / 水 / 分子シミュレーション / ゲノム編集 / 乾燥耐性 / トレハロース脂質 / 熱変性 / シャペロン / 常温乾燥保存 / ネムリユスリカ / 蛍光タンパク質 / 細胞の乾燥保存 / 乾燥保存 / コンピュータシミュレーション

Outline of Final Research Achievements

We investigated the functional mechanisms of LEA (late embryogenesis abundant) proteins/peptides and trehalose as desiccation protectants using in vitro physicochemical experiments and molecular simulations. It was revealed that these protectants work through the so-called molecular shielding mechanism and also play a role of molecular chaperon.
For an in-depth understanding of the desiccation tolerance mechanism of P. vanderplanki, we successfully developed a method of CRIPPR/CAS9 mediated gene editing for its Pv11 cell.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細胞、タンパク質、遺伝子などの生物資源は、通常、低温あるいは凍結条件下で保存されている。これには莫大なエネルギーコスト、停電リスクが伴う。近年、特に3.11震災以来、これらの生物資源を扱う研究者や医療・医薬関係者は、この非常事態への対策に迫られている。本研究の成果によれば、LEAペプチドやトレハロースを用いることにより、タンパク質（タンパク質製剤含む）やリポソームを利用したドラックデリバリーシステムの常温乾燥保存が可能となると期待される。
ネムリユスリカ細胞のゲノム編集が可能になったことにより、乾燥耐性メカニズムの基礎研究が今後より発展すると期待される。

Research Products

• [Journal Article] A LEA model peptide protects the function of a red fluorescent protein in the dry state (2019)
  • Author(s): T. Furuki, T. Niwa, H. Taguchi, R. Hatanaka, T. Kikawada, M. Sakurai
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Reports Volume: 17 Pages: 27-31
  • DOI: 10.1016/j.bbrep.2018.11.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Physiological Functions of a Model Peptide of G3LEA in Living Cells (2018)
  • Author(s): S. Tokumoto, M. Banno, Y. Miyata, M. Sakurai, T. Kikawada
  • Journal Title: Cryobio. Cryotechnol. Volume: 64 Pages: 67-73
  • NAID: 130007601563
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 欠陥を有する固定化脂質二重膜へのトレハロース添加に伴う修復効果 (2017)
  • Author(s): 45.加藤早紀，櫻井実, 森俊明
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 63 Pages: 57-60
  • NAID: 130006884829
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] レプリカ交換分子動力学を用いたLEAペプチドの乾燥誘導構造変化 (2017)
  • Author(s): 西本達志, 古田忠臣, 櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 63 Pages: 119-123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] グループ3LEAタンパク質を模倣した機能ペプチドによるタンパク質の熱変性抑制 (2017)
  • Author(s): 古木隆生，櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 63 Pages: 139-142
  • NAID: 130006706896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Dry Preservation of Giant Vesicles Using a Group 3 LEA Protein Model Peptide and Its Molecular Mechanism (2016)
  • Author(s): T. Furuki, T. Watanabe, T. Furuta, K. Takano, R. Shirakashi, and M. Sakurai
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 89 Issue: 12 Pages: 1493-1499
  • DOI: 10.1246/bcsj.20160261
  • NAID: 130005316167
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Protective Effect of Group3 LEA Model Peptides on Enzymes during Desiccation (2016)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 62 Pages: 47-51
  • NAID: 130005171842
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Group3LEAペプチドのもつタンパク質乾燥保護機能の分子メカニズムに関する計算化学的研究 (2016)
  • Author(s): 臼井慎，古田忠臣, 櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 62 Pages: 127-131
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ネムリユスリカ由来グループ3LEAタンパク質PvLEA4の非繰返し配列部位の物理化学的性質 (2016)
  • Author(s): 山口凌平，古木隆生, 古田忠臣, 櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 62 Pages: 133-137
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Group 3 LEA protein model peptides protect enzymes against desiccation stress (2016)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Act Volume: 1864 Issue: 9 Pages: 1237-1243
  • DOI: 10.1016/j.bbapap.2016.04.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] G3LEAペプチドの生体膜への結合過程における自由エネルギー及び構造変化の解析 (2015)
  • Author(s): 阪野美紗, 渡邉宙志, 古田忠臣, 櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 61 Pages: 105-109
  • NAID: 110010001005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 細胞内タンパク質凝集アッセイ系を用いたG3LEAペプチドのタンパク質凝集抑制機能に関する研究 (2015)
  • Author(s): 山口鉄郎, 畑中理恵, 黄川田隆洋, 櫻井実
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 61 Pages: 111-115
  • NAID: 110010001006
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ネムリユスリカ由来Group 3 LEAタンパク質の非繰返し配列モデルペプチドの物理化学的性質 (2018)
  • Author(s): 山口 凌平, 古木 隆生, 櫻井 実
  • Organizer: 第63回低温生物工学会年会
• [Presentation] CRISPR/Cas9システムを用いたネムリユスリカ培養細胞のゲノム編集とその応用 (2018)
  • Author(s): 宮田 佑吾, 徳本 翔子, 櫻井 実, 黄川田 隆洋
  • Organizer: 第63回低温生物工学会年会
• [Presentation] ネムリユスリカにおける新規プロモーターの同定とその応用 (2018)
  • Author(s): 宮田 佑吾, 徳本 翔子, 櫻井 実, 黄川田 隆洋
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] レプリカ交換分子動力学法を用いたLEAペプチドの乾燥誘導構造変化の解析 (2017)
  • Author(s): 西本 達志, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第62回低温生物工学会年会
• [Presentation] LEAペプチドのネムリユスリカ培養細胞Pv11に対する生理学的機能 (2017)
  • Author(s): 阪野 美紗, 櫻井 実, 黄川田 隆洋
  • Organizer: 第62回低温生物工学会年会
• [Presentation] グループ３LEAタンパク質を模倣した機能ペプチドによるタンパクの変性抑制 (2017)
  • Author(s): 古木 隆生, 櫻井 実
  • Organizer: 第62回低温生物工学会年会
• [Presentation] 乾燥過程におけるG3LEA モデルペプチドの生体膜保護に関する計算化学的研究 (2017)
  • Author(s): 高橋 佑太, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第17回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] CRISPR/Cas9 システムを用いたネムリユスリカ培養細胞のゲノム編集 (2017)
  • Author(s): 宮田 佑吾，徳本 翔子，櫻井 実，黄川田 隆洋
  • Organizer: 日本ゲノム編集学会 第2回大会
• [Presentation] Protective effect of LEA peptides and trehalose on the thermal denaturation of lysozyme (2017)
  • Author(s): 古木 隆生, 櫻井 実
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Molecular dynamics study of the protective function of G3LEA model peptide on dried POPC bilayer (2017)
  • Author(s): 高橋 佑太, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Molecular dynamics analysis of physical properties of mixed liposomes containing trehalose surfactant with selective anticancer effect (2017)
  • Author(s): 加々宮 崇, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] CRISPR/Cas9システムを用いたネムリユスリカ培養細胞のゲノム編集とその応用 (2017)
  • Author(s): 宮田 佑吾, 徳本 翔, 櫻井 実, 黄川田 隆洋
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] トレハロースやLEAタンパク質により誘導されるアンヒドロビオシス状態の物理化学 (2016)
  • Author(s): 櫻井実
  • Organizer: Cryopreservation Conference 2016
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2016-11-10
• [Presentation] ネムリユスリカ由来グループ3LEAタンパク質PvLEA4の非繰返し配列部位の物理化学的性質 (2016)
  • Author(s): 山口 凌平, 古木 隆生, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第61回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京電機大
  • Year and Date: 2016-06-25
• [Presentation] 欠陥を有する固定化脂質二分子膜へのトレハロース添加に伴う修復効果 (2016)
  • Author(s): 加藤 早紀, 櫻井 実, 森 俊明
  • Organizer: 第61回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京電機大
  • Year and Date: 2016-06-25
• [Presentation] Group3LEAペプチドのもつタンパク質乾燥保護機能の分子メカニズムに関する計算化学的研究 (2016)
  • Author(s): 臼井 慎, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第61回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京電機大
  • Year and Date: 2016-06-25
• [Presentation] トレハロースやLEAタンパク質により誘導される生体の乾燥耐性メカニズムに関する実験的・理論的研究 (2016)
  • Author(s): 櫻井実
  • Organizer: 第61回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京電機大
  • Year and Date: 2016-06-25
• [Presentation] ネムリユスリカ由来グループ3LEAタンパク質PvLEA4の非繰返し配列部位の物理化学的性質 (2016)
  • Author(s): 山口 凌平, 古木 隆生, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2016-06-07
• [Presentation] Protective effects on enzymes during desiccation by model peptides of group-3 LEA proteins (2015)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antifusion effects on liposomes during desiccation by model peptides of group-3 LEA proteins (2015)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anti-aggregation effects on proteins during desiccation by model peptides of group-3 LEA proteins (2015)
  • Author(s): T. Furuki, T. Shimizu, K. Yamakawa, R. Hatanaka, T. Takahashi, T. Kikawada, T. Okuda, H. Mihara, M. Sakurai
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] トレハロースの水和特性 (2015)
  • Author(s): 櫻井実
  • Organizer: 第19回トレハロースシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-11-06
• [Presentation] MD シミュレーションを用いたG3LEA モデルペプチドとタンパク質の相互作用の解析 (2015)
  • Author(s): M. Usui, T. Furuki, T. Furuta, M. Sakurai
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Protective effect of model peptides for group-3 LEA proteins on enzymes during desiccation (2015)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] G3LEA モデルペプチドの生体膜結合自由エネルギー及び構造変化解析 (2015)
  • Author(s): 阪野 美紗, 渡邉 宙志, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] 細胞内アミロイド凝集アッセイ系を用いたG3LEAペプチドのタンパク質凝集抑制機能に関する研究 (2015)
  • Author(s): 山口 鉄郎, 畑中 理恵, 黄川田 隆洋, 櫻井 実
  • Organizer: 第60回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-05-30
• [Presentation] グループ３LEAタンパク質のモデルペプチドによる酵素の乾燥保護効果 (2015)
  • Author(s): 古木 隆生, 櫻井 実
  • Organizer: 第60回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-05-30
• [Presentation] G3LEAペプチドの生体膜への結合過程における自由エネルギー及び構造変化の解析 (2015)
  • Author(s): 阪野 美紗, 渡邉 宙士, 古田 忠臣, 櫻井 実
  • Organizer: 第60回低温生物工学会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-05-30
• [Book] Physicochemical Aspects of the Biological Functions of Trehalose and Group 3 LEA Proteins as Desiccation Protectants (2018)
  • Author(s): T. Furuki, M. Sakurai
  • Publisher: Springer