細胞機能のモジュール化によるミニマムゲノム構築

• Project/Area Number: 21F20381
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田端 和仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50403001)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): FAN CATHERINE 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 人工細胞 / ゲノム複製 / リポソーム

Outline of Research at the Start

The aim of synthetic biology is to apply engineering principles to biological systems with the hopes that biology can be understood, manipulated, predicted, and modelled. As synthetic biology was launched by computer scientists and electrical engineers as well as biologists, a parallel was drawn between genetic code and computer code, and so genomes were now perceived as something that could be ‘debugged’. Synthetic in this context is not intended to have the connotation of something artificial or a poor imitation, but rather an improvement on the original.

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、巨大DNA増幅系をリポソームに組み込むことで、人工細胞構築の課題を解決することであった。この14の酵素群からなるゲノムサイズの大型DNA増幅システムは、Replication Cycle ReactionまたはRCRと呼ばれ、我々の共同研究者である末次らによって開発されました。RCRはチューブ内で1MbpまでのDNAを増幅でき、10の10乗倍の複製を行い、低いエラー率（1サイクル当たり10の-8乗の塩基当たりエラーレート）を持っています。RCRはこれまで、チューブやバルクでの実験や、同僚の上野らによる油中水滴での実験に成功してきましたが、より細胞に近い環境での実証はまだ行われていませんでした。本研究プロジェクトでは、細胞膜に似た理想的なコンパートメントであるリポソーム中でDNA増幅を成功させました。リポソームはリン脂質二重膜で、免疫原性が低いため、医療への応用が期待されています。私は、リポソームでのRCR成功率を最適化するために、さまざまな条件を検討しました。例えば、大腸菌の膜を模倣するために、脂質の比率を変更しました。また、α-ヘモリシンと呼ばれるナノ孔で膜を修飾することも試みました。これにより、リポソームの外側からより多くの分子を通過させ、DNAとRCR成分を含む内腔にアクセスすることができるようになります。この戦略により、確かにリポソーム内のDNA収量は向上しました。しかし、DNAの収量は理論上の最大値には達しなかった。これは、dNTPやATPなどの追加リソースを供給することで改善できる可能性がある。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。