2020 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Genome modality: understanding physical properties of the genome |
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| Project/Area Number |
20H05935
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
瀧ノ上 正浩 東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (20511249)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 宏明 中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | DNAナノテクノロジー / 人工染色体 / 人工クロマチン / 人工細胞 / 人工細胞核 / マイクロ流体工学 / 分子ロボティクス / DNAゲル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、DNAが、ナノ情報を元に、細胞核スケールの微小空間で、いかにしてメゾ・マイクロスケールのマルチモーダルなゲノムDNAの構造・物性・機能(液-液相分離、分子内相分離、界面張力、粘弾性、体積相転移、非平衡性など)を発現するのか、そのソフトマター物理学的な起源は何かということを解明することである。そのために、ナノ情報(塩基配列情報)とDNAのメゾ・マイクロスケールの物性との関係を、ボトムアップアプローチ・再構成アプローチで明らかにすることを目指す。研究代表者・瀧ノ上は、人工クロマチン構造の構築のため、DNAナノテクノロジーによって人工的なDNA集合体であるDNAゲルの構築を行い、その物性計測とナノ-メゾ-マイクロスケールの物性の相関を物理科学的な観点で解明することを目指す。2020年度は、その基盤技術を確立することを目指し、（1）DNAマイクロゲルの粘弾性等物性計測技術や制御技術の基礎、および、（2）マイクロ流体技術によるDNAマイクロゲルの制御、に関する研究を実施した。これにより、次年度に実施する、DNAナノスケール情報とメゾ・マイクロスケール物性を計測する基盤が確立した。研究分担者・鈴木は、大腸菌からヒトゲノムサイズのDNA (>1 Mbp)が膜小胞内でとる挙動や、 相分離との関連を調べ、ユークロマチン・ヘテロクロマチン様の構造が創発する最小要素を調べるための技術構築を目指す。2020年度は、マイクロ流体デバイスを用いて、均一径の脂質二重膜小胞(リポソーム)を精度良く大量生産する技術を確立し、次年度以降の物性計測に向けたフレームワークを作ることを目指した。流路のデザインと流体の組成を入念に検討し、既報に比べ格段に再現性の良い均一リポソーム製造法の基礎を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究代表者・瀧ノ上は、計画にある通り、数nmサイズのDNAナノ構造を多数集積させた数μmサイズ（細胞核サイズ）のDNAマイクロゲルを構築し、DNAナノ構造やDNA塩基配列とマイクロサイズのゲルの物性（粘弾性等）の関係を探るとともに、液-液相分離現象とマイクロ流体デバイスを利用した均一サイズのDNAマイクロゲルを構築する技術の開発に成功した。光刺激によってDNAゲルの相転移を制御する技術の構築にも成功した。また、ポリメラーゼやヘリカーゼ等の核酸酵素によってDNAマイクロゲルの分裂・複製等の動的な挙動が付与できることを示した。これにより、DNAナノテクノロジーに基づいた人工クロマチン構造の構築のための基礎を確立できた。鈴木は2019-2020年度に在外研究でRadboud大学のW. T. S. Huck研究室に滞在し、マイクロ流路およびガラス細管デバイスを利用した、人工細胞容器としての均一リポソーム生成法を修得している。しかし、簡便性・再現性の面で難がある技術であった。本研究では、自身の研究室において流路のデザインおよび溶液組成（使用するオイルや脂質の種類と混合比）に改良を重ね、ほぼ100%の効率で均一ドロップレットをリポソームに変換可能な条件を確立した。これにより、計画通り、従来に比べ格段に再現性の良い均一リポソーム製造法の基礎を確立した。
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| Strategy for Future Research Activity |
サイズがそろって均質なDNAマイクロゲルを生成するための技術が確立し、また、AFMや蛍光顕微鏡を利用した粘弾性計測の準備が整ったため、2021年度は、この技術を発展させて具体的なDNAナノ構造の形状や配列と物性の関係を探るとともに、クロマチンのように、長鎖の紐状DNAの集積によるDNAマイクロゲル生成にも挑戦し、人工クロマチンの構築とその物性の研究を進める。また、核酸関連酵素がATP等のエネルギーを利用して、DNAゲルを非平衡化し、動的な挙動を示す現象をさらに調査する。また、液-液相分離を利用したマイクロ流体技術を発展させて、DNAの操作を行うことを目指す。
また、均一リポソームの生成法は一定の技術レベルを確立したため、2021年度は、この技術にさらなる改良を加え、膜小胞内におけるゲノムサイズDNAの挙動を調べるためのプラットフォームを構築する。微量のDNAサンプルを効率よく小胞に内封できるようにし、かつ浸透圧により小胞を収縮させることで、高密度の凝集環境をつくり、その様子を顕微鏡観察するプロトコルを構築する。並行して、ポリカチオンとアニオンから成る液-液相分離系における凝集相の中でのDNAの挙動解析を開始する。
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