Development of two-dimensional DNA origami structure for construction of molecular delivery system

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K14033
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 遠藤 政幸 京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (70335389)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: DNAナノテクノロジー / DNAナノ構造体 / 細胞機能制御 / リポソーム / 人工受容体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、DNAオリガミ構造体使った細胞膜を貫通するDNA集合体の構築と分子デリバリーへの応用を目指した技術開発を目的とする。現在までに本研究者が蓄積してきたDNAによる構造体の設計と構築技術を基盤として、構築したDNA構造体を機能化し、マイクロメーターサイズに集合させ、細胞内への分子導入と機能制御が行える分子システムを開発する。
本年度は、シグナルに応答して構造変換し機能するDNA構造体の設計と構築を行った。前年度に作成した針状構造体を中心に導入した十字型のDNA構造体の設計方針を踏襲した。DNA構造体はDNAオリガミ法によって設計し、シグナル分子に応答して2つの平面なドメインが解離する動的なものである。構造体の2量化部位に針状構造体を導入してあり脂質二重膜を貫通できる。特異的な配列のDNA鎖を加えることで結合していた2つのドメインが切り離されることがAFM観察とゲル電気泳動によって確認された。これに伴って、針状構造の先端に導入したDNA増幅反応を開始するDNA鎖が切り離されることが確認された。また、単量体で針状構造を持つDNA構造体は、リポソーム表面と相互作用し、脂質二重膜を貫通して、リポソーム内部に導入したDNA増幅系を動作させることに成功した。今回作成したDNA構造体はシグナル分子となる特異的なDNA鎖に応答して、構造体の構造変換を誘導し、リポソーム内部に反応開始分子を生じさせることができる。今後、リポソーム内部の反応の誘導と細胞への応用を検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Kent State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Kent State University
• [Int'l Joint Research] Technische Universität München(Germany)
  • Country Name: Germany
  • Counterpart Institution: Technische Universität München
• [Int'l Joint Research] University of Bordeaux(France)
  • Country Name: France
  • Counterpart Institution: University of Bordeaux
• [Int'l Joint Research] University of Leeds(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Leeds
• [Journal Article] DNA Origami Scaffolds as Templates for Functional Tetrameric Kir3 K+ Channels (2018)
  • Author(s): T. Kurokawa, S. Kiyonaka, E. Nakata, M. Endo, S. Koyama, E. Mori, N. H. Tran, H. Dinh, Y. Suzuki, K. Hidaka, M. Kawata, C. Sato, H. Sugiyama, T. Morii, Y. Mori
  • Journal Title: Angewandte Chemie, International Edition Volume: 57 Pages: 2586-2591
  • DOI: 10.1002/anie.201709982
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Single-Molecule Observation of Mode and Geometry of RecA-Mediated Homology Search (2018)
  • Author(s): A. Lee, M. Endo, J. Hobbs, C. Walti
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 12 Pages: 272-278
  • DOI: 10.1021/acsnano.7b06208
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Triggering nucleic acid nanostructure assembly by conditional kissing interactions (2018)
  • Author(s): L. Azéma, S. Bonnet-Salomon, M. Endo, Y. Takeuchi, G. Durand, T. Emura, K. Hidaka, E. Dausse, H. Sugiyama, J.-J. Toulmé
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 46 Pages: 1052-1058
  • DOI: 10.1093/nar/gkx1267
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] DNAから作るナノスケールの構造体―そのデザインと作成― (2018)
  • Author(s): 遠藤 政幸
  • Journal Title: 化学と教育 Volume: 66 Pages: 88-91
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Molecule Observation of The Photoregulated Conformational Dynamics of DNA Origami Nanoscissors (2017)
  • Author(s): E. M. Willner, Y. Kamada, Y. Suzuki, T. Emura, K. Hidaka, H. Dietz, H. Sugiyama, M. Endo
  • Journal Title: Angewandte Chemie, International Edition Volume: 56 Pages: 15324-15328
  • DOI: 10.1002/anie.201708722
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Holliday junction resolvases mediate chloroplast nucleoid segregation (2017)
  • Author(s): Y. Kobayashi, O. Misumi, M. Odahara, K. Ishibashi, M. Hirono, K. Hidaka, M. Endo, H. Sugiyama, H. Iwasaki, T. Kuroiwa, T. Shikanai, Y. Nishimura
  • Journal Title: Science Volume: 22 Pages: 631-634
  • DOI: 10.1126/science.aan0038
• [Journal Article] Confined Space Facilitates G-quadruplex Formation (2017)
  • Author(s): P. Shrestha, S. Jonchhe, T. Emura, K. Hidaka, M. Endo, H. Sugiyama, H. Mao
  • Journal Title: Nature Nanotechnology Volume: 12 Pages: 582-588
  • DOI: 10.1038/nnano.2017.29
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Protein-driven RNA nanostructured devices that function in vitro and control mammalian cell fate (2017)
  • Author(s): T.Shibata, Y. Fujita, H. Ohno, Y. Suzuki, K. Hayashi, K. R. Komatsu, S. Kawasaki, K. Hidaka, S. Yonehara, H. Sugiyama, M. Endo, H. Saito
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Pages: 540
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00459-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Photoregulated DNA-Based Rotary System And Direct Observation of Its Rotational Movement (2017)
  • Author(s): Y. Yang, R. Tashiro, Y. Suzuki, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, M. Endo
  • Journal Title: Chemistry - A European Journal Volume: 23 Pages: 3979-3985
  • DOI: 10.1002/chem.201605616
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Resolution Imaging of a Single Gliding Protofilament of Tubulins by HS-AFM (2017)
  • Author(s): J. J. Keya, D. Inoue, Y. Suzuki, T. Kozai, N. Kodera, T. Uchihashi, A. Md. R. Kabir, M. Endo, K.Sada, A. Kakugo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 6166
  • DOI: 10.1038/s41598-017-06249-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Programmable formation of catalytic RNA triangles and squares by assembling modular RNA enzymes (2017)
  • Author(s): H. Oi, D. Fujita, Y. Suzuki, H. Sugiyama, M. Endo, S. Matsumura, Y. Ikawa
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 161 Pages: 451-462
  • DOI: 10.1093/jb/mvw093
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 自己集合性3次元DNA結晶のAFMによる結晶表面観察 (2018)
  • Author(s): 浴 晴彦, 杉山 弘, 遠藤 政幸
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会(2018)
• [Presentation] 狭小空間での分子の振る舞い (2018)
  • Author(s): 遠藤 政幸
  • Organizer: 第１回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] DNAオリガミを使った１分子の観察 (2018)
  • Author(s): 遠藤 政幸
  • Organizer: 静岡ライフサイエンスシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] High-speed AFM imaging of synthetic nanomachines and nanostructures (2018)
  • Author(s): Masayuki Endo
  • Organizer: The SPIRITS International Symposium 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of biophysical property of G-quadruplex in a confined nanospace (2017)
  • Author(s): M. Endo, P. Shrestha, S. Jonchhe, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, H. Mao
  • Organizer: The 44th International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct observation of photoresponsive DNA nanodevice and its self-assembly (2017)
  • Author(s): Y. Kamada, E. Willner, Y. Suzuki, T. Emura, K. Hidaka, H. Dietz, H. Sugiyama, M. Endo
  • Organizer: The 44th International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Biophysical property of G-quadruplex caged in a confined DNA nanospace (2017)
  • Author(s): M. Endo, P. Shrestha, S. Jonchhe, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, H. Mao
  • Organizer: The 23rd International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 制限された空間でのグアニン四重鎖の物性 (2017)
  • Author(s): 遠藤 政幸, Prakash Shrestha, Sagun Jonchhe, 江村 智子, 日高 久美, 杉山 弘, Hanbin Mao
  • Organizer: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] High-speed AFM imaging of synthetic nanomachines and nanostructures (2017)
  • Author(s): Masayuki Endo
  • Organizer: Unconventional Computation and Natural Computation 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光応答性を持つDNA分子デバイスの構築とその自己集積化 (2017)
  • Author(s): 鎌田 佑, Elena Willner, 鈴木 勇輝, 江村 智子, 日高 久美, Hendrik Dietz, 杉山 弘, 遠藤 政幸
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第12回年会
• [Presentation] Observation of single biomolecule properties in a DNA nanospace (2017)
  • Author(s): M. Endo, P. Shrestha, S. Jonchhe, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, H. Mao
  • Organizer: 14th Conference on the Foundations of Nanoscience 2017
  • Int'l Joint Research
• [Book] CSJカレントレビュー 分子マシンの展開 (2017)
  • Author(s): 遠藤政幸 杉山弘
  • Total Pages: pages140-148
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] DNA Nanotechnology Group, Kyoto University
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/chembio/top_page_j.html