合理的デザインで探る未踏の蛋白質フォールド

• Project/Area Number: 17J02339
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences (2018-2019); Institute for Molecular Science (2017)
• Principal Investigator: 南 慎太朗 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 蛋白質デザイン / 合成生物学 / タンパク質デザイン / 新規フォールドタンパク質

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、既知タンパク質立体構造データベースを解析することにより、天然に存在する構造パターンと存在しない構造パターンの網羅的分類を行った。さらに、既知タンパク質構造パターンの統計データにいくつかの法則性を見出し、それらをタンパク質構造パターンが従うべきルールとして整理した。ルールを考慮することにより、本研究では天然に存在しないが実現可能と考えられる新規構造パターンを8種類同定した。次に、これらの新規構造パターンを持つようなタンパク質分子を計算機によって設計した。
続いて設計タンパク質を実際に合成し、デザインの成否を実験的に検証した。デザインタンパク質をコードした遺伝子を購入し、大腸菌により発現・生成して人工タンパク質溶液サンプルを得た。サンプルに対し、二次構造形成と熱安定性を確認するためのCDスペクトル測定、溶液中で単一の構造を維持しているかを確認するための2D-NMR(1H-15N HSQC)の測定をそれぞれ行った。これらの実験結果をもとにして8種類のターゲットそれぞれについて最も安定にフォールドすると考えられるデザイン配列を選抜し、最終的な検証としてNMRによる溶液構造の実験的な決定を行った。NMR構造決定の結果、8種類全てのターゲット構造について、溶液中での立体構造が想定通りの構造へと正しくフォールドしていることが確認された。
上記の結果から、本研究で提案したタンパク質構造の実現可能性を判断するための指標が実際に有効であることが示された。この指標を活用することで、現在天然タンパク質として存在しないような構造パターンであっても、人の手で新規に創り出すことでその有用性を網羅的に探索するという方向性の研究が可能になるはずである。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] MICAN-SQ: A sequential protein structure alignment program that is applicable to monomers and all types of oligomers (2018)
  • Author(s): Shintaro Minami, Kengo Sawada, Motonori Ota, and George Chikenji
  • Journal Title: Bioinformatics Volume: 34 Issue: 19 Pages: 3324-3331
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/bty369
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characteristics of interactions at protein segments without non-local intramolecular contacts in the Protein Data Bank (2018)
  • Author(s): Kota Kasahara, Shintaro Minami, Yasunori Aizawa
  • Journal Title: PLoS One Volume: 13 Issue: 12 Pages: e0205052-e0205052
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0205052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rules for connectivity of secondary structure elements in protein: two-layer αβ sandwiches (2017)
  • Author(s): Shintaro Minami, George Chikenji, and Motonori Ota
  • Journal Title: Protein Science Volume: 26 Issue: 11 Pages: 2257-2267
  • DOI: 10.1002/pro.3285
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Exploration of novel alpha-beta folds by de novo design. (2020)
  • Author(s): Shintaro Minami
  • Organizer: 64th Annual Meeting of the Biopysical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] デノボデザインによる新規αβ型タンパク質フォールドの探査 (2019)
  • Author(s): 南慎太朗
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 全自動デノボ蛋白質構造デザインに向けて (2018)
  • Author(s): 南慎太朗、古賀理恵、千見寺浄慈、古賀信康
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 自然界に存在しないフォールドを持つタンパク質は実現可能か？ (2018)
  • Author(s): 南慎太朗、古賀理恵、杉木俊彦、小林直宏、古賀信康
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Design of new-fold proteins yet-unexplored in nature (2018)
  • Author(s): Shintaro Minami
  • Organizer: 分子研研究会「New Frontier in Protein Design & Engineering」
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新規フォールドタンパク質の合理デザインに向けて (2017)
  • Author(s): 南慎太朗
  • Organizer: 第１７回日本蛋白質科学会
• [Presentation] 天然に存在しないフォールドを持つタンパク質の合理的デザイン (2017)
  • Author(s): 南慎太朗
  • Organizer: 第５５回日本生物物理学会
  • Int'l Joint Research