Development of Chaperonin Nanotube Embedding Superparamagnetic Nanoparticle Array and Study of Its Function

• Project/Area Number: 15J11084
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Bio-related chemistry
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: SIM SEUNGHYUN 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: GroEL / MRI / ナノ粒子 / シャペロニン

Outline of Annual Research Achievements

ATPに応答して機械的な構造変化を行うシャペロニンタンパク質GroEL、および超常磁性酸化鉄ナノ粒子に注目し、それ
らやそれらの複合体の医学的応用に関して研究を行った。
まず、GroELの一次元集積により生成するナノチューブの長さの調節を可能にする手法を開発した。ナノチューブの末端に結合すると重合停止を引き起こす可能性があるハーフカット（シングルリング）GroELを設計し、その共存下でGroEL を超分子重合させると、生成するナノチューブの長さを広い範囲で制御できることがわかった。さらに、長さが異なるナノチューブの細胞への取り込み能を評価し、短いナノチューブほど細胞に取り込まれやすい傾向を示すことを確認した。
次に、外場を用いてナノチューブを操る仕組みを構築した。超常磁性酸化鉄ナノ粒子を合成し、その表面配位子を最適化することによりGroEL 内部へのナノ粒子の取り込みを実現した。得られたGroEL／ナノ粒子複合体を超分子重合させ、超常磁性ナノ粒子の一次元連鎖の構築に成功した。さらに、この一次元連鎖を磁場中におくと、ナノチューブ内部の超常磁性ナノ粒子間にスピン相互作用が発生し、結果として一次元連鎖同士が一時的にバンドル構造を形成することがわかった。
次に、人工ウイルスとしてのsiRNAを含むタンパク質ナノチューブの構築とsiRNA送達について研究した。電荷が中和されたsiRNAナノカプレットと前述のGroELの混合物がナノチューブを形成する現象を見出し、siRNAへのメロシアニンユニットのインターカレーション又は疎水性相互作用がそのプロセスに重要であることを示した。このナノチューブ状人工ウイルスにDTTやATPをそれぞれ単独で加えるとナノチューブが部分的に切断し短くなること、およびATPとDTTの混合物を加える
とナノチューブがモノマーにまで解離してsiRNAを放出することがわかった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Protein Nanotube Selectively Cleavable with DNA: Supramolecular Polymerization of "DNA-Appended Molecular Chaperones" (2018)
  • Author(s): Daiki Kashiwagi, Seunghyun Sim, Tatsuya Niwa, Hideki Taguchi, and Takuzo Aida
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 140 Issue: 1 Pages: 26-29
  • DOI: 10.1021/jacs.7b09892
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Swallowing a Surgeon (2017)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Takuzo Aida
  • Journal Title: Acc. Chem. Res. Volume: 50 Issue: 3 Pages: 492-497
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00495
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supramolecular Nanotube of Chaperonin GroEL: Length Control for Cellular Uptake Using Single-Ring GroEL Mutant as End-Capper. (2016)
  • Author(s): Sim, S.H., Niwa, T., Taguchi, H., *Aida, T.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 138 Issue: 35 Pages: 11152-11155
  • DOI: 10.1021/jacs.6b07925
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tailoring Micrometer-Long High-Integrity ID Array of Superparamagnetic Nanoparticles in a Nanotubular Protein Jacket and Its Lateral Magnetic Assembling Behavior (2015)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Daigo Miyajima, Tatsuya Niwa, Hideki Taguchi, Takuzo Aida
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 137 Issue: 14 Pages: 4658-4861
  • DOI: 10.1021/jacs.5b02144
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Engineered Protein GroEL for Controlling 1D to 3D Nanostructural Assembly (2017)
  • Author(s): Seunghyun Sim
  • Organizer: Symposium for Supramolcular Assembly
• [Presentation] Engineered Protein GroEL for Controlling 1D to 3D Nanostructural Assembly (2017)
  • Author(s): Seunghyun Sim
  • Organizer: the 253rd ACS National Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Engineered Protein GroEL for Controlling 1D to 3D Nanostructural Assembly (2017)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Takuzo Aida
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
• [Presentation] Engineered Protein Cargo for Controlling 1D to 3D Assembly (2016)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Takuzo Aida
  • Organizer: Nature Inspires Creativity Engineers (NICE) 2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Utilizing Engineered Protein Cargo for Controlling Hierarchical 3D Assembly (2015)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Daigo Miyajima, Takuzo Aida
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PacifiChem)
  • Place of Presentation: Honolulu HI (USA)
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional Protein Supramolecular Structures Based on GroEL (2015)
  • Author(s): Seunghyun Sim, Daigo Miyajima, Takuzo Aida
  • Organizer: SysChem 2015
  • Place of Presentation: Kerkrade (Netherlands)
  • Year and Date: 2015-05-18
  • Int'l Joint Research