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Creation of artificial genetic system with acyclic artificial nucleic acids and application to evolutionary molecular engineering

Research Project

Project/Area Number 21H05025
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section E
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

浅沼 浩之  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20282577)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 根本 直人  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (60509727)
Project Period (FY) 2021-07-05 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥190,450,000 (Direct Cost: ¥146,500,000、Indirect Cost: ¥43,950,000)
Fiscal Year 2025: ¥33,020,000 (Direct Cost: ¥25,400,000、Indirect Cost: ¥7,620,000)
Fiscal Year 2024: ¥32,110,000 (Direct Cost: ¥24,700,000、Indirect Cost: ¥7,410,000)
Fiscal Year 2023: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000)
Fiscal Year 2022: ¥43,550,000 (Direct Cost: ¥33,500,000、Indirect Cost: ¥10,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥54,210,000 (Direct Cost: ¥41,700,000、Indirect Cost: ¥12,510,000)
Keywords人工核酸 / Pre-RNA world / 化学ライゲーション / SNA / L-aTNA / PNA
Outline of Research at the Start

本申請では、1)L-aTNAを”ゲノム”に見立てた自己複製(L-aTNA→L-aTNA)・転写(L-aTNA→DNA(RNA))・逆転写(DNA(RNA)→L-aTNA)という人工遺伝システムを非酵素的に実現することで、L-aTNAがPre-RNAワールド仮説の候補になりうる原始核酸であることを実証し、さらに2)この人工遺伝システムを活用したL-aTNA人工アプタマー創成へと展開する。

Outline of Annual Research Achievements

鋳型鎖をDNAおよびRNAに代えて連結反応(逆転写反応)を行った。まず17 merの鋳型鎖上で2本の相補的な8-merのL-aTNAフラグメントの連結反応を行ったところ、Mn2+/CNImを縮合剤に使用しL-aTNA鋳型鎖の場合の連結反応速度が4℃で1.5 h-1だったのに対し、DNAおよびRNA鋳型鎖上ではそれぞれ1.1 h-1、1.2 h-1と、L-aTNA鋳型鎖と遜色ない速度で進行した。次に8-merのL-aTNAプライマーと3種類の相補的な3-merのL-aTNAフラグメントを用いて17merのDNAあるいはRNA鋳型鎖上で逐次的連結反応を4℃で行ったところ、いずれの場合も4℃24時間で完全長のL-aTNA鎖がほぼ100%で得られた。進捗状況で詳細に記すように、DNAおよびRNAの骨格のキラリティーが化学ライゲーションを促進することが明らかとなった。
この結果を受け、DNAの連結反応についても鋳型鎖を32 merのDNAに代えて16 merのDNAフラグメント同士のCd2+とCNImで連結反応を行った。その結果、Mn2+イオンを用いた場合の10倍以上反応速度が向上し、25℃2時間で90%以上の収率で連結反応が進行した。我々が発見したCNImとCd2+の組み合わせによる連結反応はリガーゼに匹敵する速度であった。そこでhalf-sliding型DNAを用いて長鎖DNA二重鎖の合成を、T4リガーゼとCNIm/Cd2+で比較したところ、CNIm/Cd2+の方がT4リガーゼより長いDNA二重鎖を合成できることが判明した。
さらに化学ライゲーションの主鎖骨格が与える影響についてSNAとL-aTNAの比較を行い、らせんの誘起とライゲーション部位の局所構造が影響を与えることが判明した。特に局所構造の相違は顕著であった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ライゲーション速度に与える影響について、主鎖がL-aTNAと酷似しているが骨格のユニットがアキラルなセリノールで構成される非環状型人工核酸SNAと、ライゲーション速度を比較した。興味深いことにSNAの化学ライゲーションは、求核性の高い一級水酸基を有するにもかかわらず、ライゲーション効率は大きく低下した。そこでSNA鎖中にL-aTNAユニットを部分的に導入したところ、らせん誘起に伴いSNAユニット同士のライゲーション速度の向上が観察された。次にSNA鎖中にライゲーション部位のみにL-aTNAユニットを導入したところ、fullのL-aTNA鎖に匹敵するライゲーション速度が得られた。これらの事実から、らせん構造の誘起と局所構造の両方がライゲーション速度の向上に貢献するが、特にライゲーション部位のキラリティーが重要であることが明らかとなった。さらにキラルな超分子であるDNAとRNAを鋳型にした場合、L-aTNA鎖のライゲーションはSNAを鋳型に用いた場合よりも優位に高いことも判明した。これらの結果は、キラリティーが配列複製を加速することを示した最初の例であり、生命の進化においてキラルな骨格が選ばれたことと密接に関係していると考えている。
これらの結果を踏まえ、RNA→L-aTNAへの効率的な逆転写も実現した。この過程でCd2+/CNIm(あるいはMn2+/CNIm)によるDNAの化学ライゲーションがリガーゼに匹敵する速度で進行することを明らかにした。またL-aTNA→DNA/RNAへの配列転写も、オプションとして提案したDNAランダムプールから人工核酸に相補的なDNAのみを釣り上げてくる方法が有効であることも明らかにした。このように研究機関後半の大きな課題であるL-aTNAアプタマー取得のための進化サイクルに向けた要素研究は現段階でほぼ実現した。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に沿って1)L-aTNA二重鎖の自己増幅、2)金属錯体化による連結反応の高速化、3)L-aTNAアプタマー取得 を行う。
2)の金属錯体については、イミダゾール系の配位子を検討すると同時に、生命の起源の観点から、ヒスチジン/金属イオン(Mn2+, Cd2+など)/BrCNの三元系での効率的な化学ライゲーションの可能性を検討する。アミノ酸のヒスチジンで化学ライゲーションが可能ならば、我々が提唱するアミノ酸ベースのPre-RNA仮説が説得力を持つようになる。
3)のアプタマー取得に関しては、研究計画ではトロンビンアプタマーを計画していたが、トロンビンと同様に比較的短い配列でアプタマー取得が報告されているATPも標的とする。また効率的な化学ライゲーションを利用して、ストレプトアビジン修飾磁気ビーズを使わず全て水溶液中でL-aTNA→DNA配列転写する方法も併せて検討し、L-aTNAアプタマー取得へ応用する。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(7 results)
  • 2023 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report
  • Research Products

    (139 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (29 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 28 results,  Open Access: 10 results) Presentation (104 results) (of which Int'l Joint Research: 17 results,  Invited: 4 results) Book (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Unexpectedly stable homopurine parallel triplex of SNA:RNA*SNA and L-aTNA:RNA*L-aTNA2024

    • Author(s)
      Kamiya Yukiko、Lao Siyuan、Ariyoshi Jumpei、Sato Fuminori、Asanuma Hiroyuki
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 60 Issue: 10 Pages: 1257-1260

    • DOI

      10.1039/d3cc05555h

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      Nakakuki Takashi、Toyonari Masato、Aso Kaori、Murayama Keiji、Asanuma Hiroyuki、de Greef Tom F. A.
    • Journal Title

      ACS Synthetic Biology

      Volume: 13 Issue: 2 Pages: 521-529

    • DOI

      10.1021/acssynbio.3c00459

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    • Author(s)
      Kashida Hiromu、Azuma Hidenori、Sotome Hikaru、Miyasaka Hiroshi、Asanuma Hiroyuki
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 63 Issue: 14

    • DOI

      10.1002/anie.202319516

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    • Author(s)
      Kameyama Tatsuya、Isogawa Shuji、Akiyoshi Kazutaka、Kashida Hiromu、Asanuma Hiroyuki、Torimoto Tsukasa
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 160 Issue: 9 Pages: 094709-094709

    • DOI

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      Sato Fuminori、Kamiya Yukiko、Asanuma Hiroyuki
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      Volume: 88 Issue: 2 Pages: 796-804

    • DOI

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      Kashida Hiromu、Ito Yuka、Kakuta Takahiro、Ogoshi Tomoki、Asanuma Hiroyuki
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      Volume: 29 Issue: 22

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      Volume: 145 Issue: 32 Pages: 17872-17880

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      Volume: 18 Issue: 10 Pages: 2281-2289

    • DOI

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      Volume: 96 Issue: 10 Pages: 1179-1187

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      Murayama Keiji、Yamano Yuuhei、Asanuma Hiroyuki
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      Volume: 55 Issue: 7 Pages: 743-752

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    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 299 Issue: 2 Pages: 102804-102804

    • DOI

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      Volume: 51 Issue: 3 Pages: 292-295

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      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Issue: 4 Pages: 1572-1579

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      Micromachines

      Volume: 13 Issue: 2 Pages: 193-193

    • DOI

      10.3390/mi13020193

    • NAID

      120007186030

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      Chen Yanglingzhi、Nagao Ryuya、Murayama Keiji、Asanuma Hiroyuki
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      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Issue: 13 Pages: 5887-5892

    • DOI

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      Murayama Keiji、Kashida Hiromu、Asanuma Hiroyuki
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      Volume: - Issue: 20 Pages: 4115-4122

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      Volume: 7 Issue: 65

    • DOI

      10.1126/scirobotics.abm0677

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      Volume: 54 Issue: 12 Pages: 1501-1507

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      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 10-10

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      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 13578-13578

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      鈴木駿也, 横田徳子, 津田弘貴, 神谷由紀子, 浅沼浩之
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  • [Presentation] Development of siRNA and anti-miRNA oligonucleotide modified with SNA or L-aTNA2021

    • Author(s)
      Yukiko Kamiya, Fuminori Sato, Tomonari Mizuno, Hiroyuki Asanuma
    • Organizer
      Pacifichem2021
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  • [Book] Orthogonality of Nucleic Acids2022

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      Keiji Murayama, Hiroyuki Asanuma
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      Springer
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  • [Book] DNAポリマー (高分子材料の辞典)2022

    • Author(s)
      村山恵司、浅沼浩之
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      2
    • Publisher
      朝倉書店
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  • [Book] 光応答性DNAの搭載によるナノマシンとナノ構造体の光制御(進化を続ける核酸化学)2021

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      浅沼浩之, 神谷由紀子
    • Total Pages
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    • Publisher
      化学同人
    • ISBN
      9784759814019
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      浅沼浩之、神谷由紀子、佐藤史経
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人東海国立大学機構
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      特許
    • Filing Date
      2022
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 配列解析方法2022

    • Inventor(s)
      浅沼浩之、村山 恵司、根本 直人、瀧澤 佐恵
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人東海国立大学機構、EME
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-177900
    • Filing Date
      2022
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    • Inventor(s)
      樫田啓、香川恵未莉、浅沼浩之、村山 恵司、根本 直人、清水優香
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人東海国立大学機構、EME
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-032911
    • Filing Date
      2022
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Published: 2021-07-08   Modified: 2025-04-17  

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