2018 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of physical properties of biomolecules in the designed nanoscale space
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18KK0139
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
遠藤 政幸 京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (70335389)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田隈 尚史 大阪大学, 蛋白質研究所, 助教 (10339707)
鈴木 勇輝 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50636066)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2021-03-31
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| Keywords | DNAナノテクノロジー / DNAオリガミ / 光ピンセット / ナノ空間 / 転写反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、DNAによって様々なナノ空間を設計・構築し、その空間内で１分子の物性の計測と反応の制御を通じて、環境要素の一つである空間が生体分子の物性に与える影響と空間-分子間に働く相互作用を解明する。
ナノ空間のサイズに対するグアニン四重鎖及びi-モチーフ構造の機械的および熱力学的安定性と折り畳みの速度を測定し、空間のサイズに対する分子の物性への影響を調べた。筒状の6, 9, 12, 15 nmの空間を持つナノケージ内部に、グアニン四重鎖構造及びi-モチーフ構造を導入し、それぞれの構造体をAFMによって確認した。光ピンセットによって1分子力測定を行い、ナノケージ内でi-モチーフ構造が形成され、比較的中性に近いpHでも安定に形成された。ナノケージのサイズに対する影響を検討し、サイズの減少とともに安定性が増加することを見出した。さらに、ナノケージのサイズに対してアンフォールド時の水の活量を求めるとサイズが減少するとともに水の活量も減少することを明らかにした。このことから、ナノケージ中でのグアニン四重鎖構造及びi-モチーフ構造の安定性は水の活量の減少と相関することが分かった。
ナノ空間内での生体分子反応に関しては、ナノケージの中に、DNAからRNAを作るRNAポリメラーゼを固定し、ゼブラフィッシュの初期胚に導入したところ、個体内でもRNAが産生されている事が確認できた。また、構造変換デバイスに関しては、グアニン四重鎖構造の形成・解離をナノスケールの伸縮機構として利用することで、カリウムイオンに応答して屈曲・伸展するDNAナノデバイスを構築し、AFMによりその構造変化を確認した。
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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
当初の予定通り、ナノケージ内にグアニン四重鎖構造、i-motif構造、ヘアピン構造などを導入したDNAオリガミ構造体を構築し、その内部での生体分子の機械的な安定性と熱力学的な安定性を光ピンセットによって計測する新たな測定系を構築できた。この系は空間のデザインや化学修飾など空間環境の拡張が可能であり、引き続き研究を進展させていく。また、転写ナノデバイスを使って、ゼブラフィッシュ初期胚でのRNA産生が確認された。転写ナノデバイスの応用が個体内でも可能であり、さらに進展させていく。外部制御可能なDNA構造変換デバイスの構築も進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１. ナノ空間内部の環境に対する生体分子への影響の検討
現在得られた測定システムをさらに拡張し、ナノ空間のサイズと同時にナノ空間内部の化学修飾による環境の調整を検討する。空間内部の環境を変えるため、ポリエチレングリコール(PEG)を使ったクラウディング環境を構築する。PEGで空間内部を化学修飾したナノケージをすでに作成している。特徴的な環境を再現することで、ケージ内部に導入したグアニン四重鎖構造の物性測定を行う。今後も、作成した系を使って、多様な生体分子の検討と空間のデザインや化学修飾を通じて、「空間と分子間の相互作用」を明らかにしていく。
２．ナノ空間・構造を使った反応の制御法の検討
空間のサイズや空間内外環境を使って反応を制御する手法を開発する。ナノ構造の内部や外側に酵素を固定し、ナノ空間が及ぼす影響を評価する。特に転写反応と物質輸送反応を制御する分子システムを構築し、ナノ空間での反応の特性と検討を行う。
構築したカリウムイオン応答性のDNAナノデバイスの動作特性，機械的特性について評価を進める。i-motif構造や三重鎖構造を利用した伸縮機構についても検討を行い、デバイスの多様化を図る。また、ナノ構造の内部や外側に酵素を固定し、ナノ空間が及ぼす影響を評価する。転写反応と物質輸送反応を制御する分子システムを構築し、ナノ空間での反応の特性と検討を行う。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究期間が６か月であったことから、旅費の支出が当初より少なかった。このため、来年度は共同研究者の研究室での実験をより精力的に行う。
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[Journal Article] Construction of integrated gene logic-chip2018
Author(s)
T. Masubuchi, M. Endo, R. Iizuka, A. Iguchi, D. H. Yoon, T. Sekiguchi, H. Qi, R. Iinuma, Y. Miyazono, S. Shoji, T. Funatsu, H. Sugiyama, Y. Harada, T. Ueda, H. Tadakuma
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Journal Title
Nature Nanotechnology
Volume: 13
Pages: 733-740
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] DNA Origami Scaffolds as Templates for Functional Tetrameric Kir3 K+ Channels2018
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
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Journal Title
Angewandte Chemie, International Edition
Volume: 57
Pages: 2586-2591
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Construction of DNA origami base gene transcription nano chip2019
Author(s)
Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Hyun YD, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T, Tadakuma H
Organizer
第2回分子ロボティクス年次大会
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[Presentation] Integrated gene logic-chip functioning in an artificial cell2018
Author(s)
Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Yoon DH, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T and Tadakuma H.
Organizer
The 2nd Joint Australia-Japan/Japan-Australia Joint RNA meeting
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[Presentation] Integrated gene logic-chip functioning in an artificial cell2018
Author(s)
Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Yoon DH, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T and Tadakuma H.
Organizer
CBI学会2018年大会
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