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2012 Fiscal Year Annual Research Report

極微量小分子RNAを網羅的に解析する次世代型核酸アレイチップの開発

Research Project

Project/Area Number 22225003
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

寺前 紀夫  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 名誉教授 (70114569)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山口 央  茨城大学, 理学部, 准教授 (10359531)
西澤 精一  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40281969)
佐藤 雄介  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (90583039)
Project Period (FY) 2010-05-31 – 2014-03-31
Keywords化学センサー / バイオセンサー / 蛍光性リガンド / 核酸 / ナノ細孔 / 過冷却 / 小分子RNA
Research Abstract

本研究では、ナノ細孔内を反応場とした蛍光性リガンドによる小分子RNA分析法を開発する。小分子RNAはその短鎖性ゆえ、既存のDNA,RNA解析法を直接流用することが困難である。本手法は、ナノ細孔内過冷却状態における効果的なリガンド結合反応を実現することで、小分子RNA解析に向けた基礎技術の開拓を目指す。
ナノ細孔内部では,溶媒水が0℃以下の温度であっても流動性を維持した”過冷却状態”となる。この過冷却水を利用すれば発熱性の錯形成反応効率を向上させることが期待される。そこで,シリカメソ細孔(細孔径3nm)内部における短鎖DNA2重鎖形成反応を蛍光励起エネルギー移動(FRET)測定から解析したところ,2塩基~6塩基のDNAフラグメントの2重鎖形成が-40℃~0℃の低温環境下で促進されることを見いだした。さらに,より大きな細孔径(70 nm)を持つアルミナ細孔内部においてクマリン色素とシクロデキストリンの包接錯体形成反応が,同様の温度領域で促進されることも見いだした。以上の実験結果から,ナノ細孔内では0℃以下の低温環境で錯形成平衡を調節可能であることが分かった。
一方、小分子RNA検出用蛍光性リガンドにおいては、昨年までにウラシル検出用リガンドジアミノピラジン誘導体を見出してきたが、本年度は網羅的小分子RNA解析に向けた他の核酸塩基検出に適用しうる新たなリガンドの開発を進めた。DNA脱塩基部位結合能を有するプテリジン骨格に対して置換基改変を施した新規誘導体のRNA検出能を検討したところ、2-amino-6,7-pteridine の4位にアミノ基を導入した誘導体がRNA二重鎖中脱塩基部位対面のシトシン塩基に対する高い選択性ならびに強い結合力を示すことを見出した。詳細な相互作用解析の結果、得られたシトシン結合能は電子供与性であるアミノ基の導入によりプテリジン環N1位の塩基性度が上昇し、シトシンとの相補的な水素結合面を形成することに起因することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

小分子RNA解析の実現に向けて、「蛍光性リガンドの開発」と「ナノ細孔内過冷却状態を利用した分子認識反応場としての利用」に関してともに重要な基礎的知見が得られている。リガンド開発においては、候補化合物の置換基改変により新たなRNA塩基識別リガンドの開発が可能であることを見出し、リガンドの小分子RNA解析の適用範囲を拡大している。一方で、ナノ細孔内の過冷却状態を用いて、モデル系として有機小分子-シクロデキストリン包接反応が効果的に進行し、また温度低下に伴い包接反応が促進されることを実証した。

Strategy for Future Research Activity

これまで得られて基礎的知見を踏まえて、蛍光性リガンドの進化ならびにナノ細孔内過冷却状態における小分子RNA検出法の構築を行う。具体的には、DNA脱塩基部位に結合しうるリガンド骨格への置換基改変により、アデニン、グアニンに対する有用な検出リガンドを設計し、すべての核酸塩基検出に適用しうるリガンド群を創製する。さらに見出したリガンド群をシアニン色素などとのコンジュゲート化により高感度RNA塩基識別が可能な発蛍光応答型リガンドへと進化させていく。一方、ナノ細孔内過冷却状態における小分子-核酸プローブのハイブリダイゼーションならびに形成される二重鎖への結合反応に関して、リガンドの結合に伴う蛍光応答を観測することで、小分子RNA検出能を評価するとともに、本系に適した核酸プローブならびにリガンドの機能を検討し、これらの検討結果を改めてリガンド開発にフィードバックしていく。

  • Research Products

    (46 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results) Presentation (37 results) (of which Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Encapsulation of PEG-modified Myoglobin in Hydrophobic Mesoporous Silica as Studied by Optical Waveguide Spectroscopy2013

    • Author(s)
      Hiroyuki Arafune, Akira Yamaguchi, Kazuhiro Hotta, Tetsuji Itoh, Norio Teramae
    • Journal Title

      Anal. Sci.

      Volume: 29 Pages: 187-192

    • DOI

      10.2116/analsci.29.187

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis of Mesoporous Metal Oxide by the Thermal Decomposition of Oxalate Precursor2013

    • Author(s)
      L. Guo, H. Arafune and N. Teramae
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 29 Pages: 4404-4412

    • DOI

      10.2116/analsci.29.187

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Competitive binding of abasic site-binding ligands and masking ligands to DNA duplexes for the analysis of single base mutation2013

    • Author(s)
      Y. Sato, T. Kageyama, S. Nishizawa, and N. Teramae
    • Journal Title

      Anal. Sci.

      Volume: 29 Pages: 15-19

    • DOI

      10.2116/analsci.29.15

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Deposition of Polyelectrolyte Multilayer Film on a Nanoporous Alumina Membrane for Stable Label-Free Optical Biosensing2012

    • Author(s)
      Kazuhiro Hotta, Akira Yamaguchi, Norio Teramae
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. C

      Volume: 116 Pages: 23533-23539

    • DOI

      10.1021/jp308724m

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Microviscosity of supercooled water confined within aminopropyl-modified mesoporous silica as studied by time-resolved fluorescence spectroscopy2012

    • Author(s)
      Akira Yamaguchi, Manato Namekawa, Tetsuji Itoh, Norio Teramae
    • Journal Title

      Anal. Sci.

      Volume: 28 Pages: 1065-1070

    • DOI

      10.2116/analsci.28.1065

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ratiometric fluorescence signaling of small molecule-environmentally sensitive dye conjugate for detecting single-base mutations in DNA2012

    • Author(s)
      C. Wang, Y. Sato, M. Kudo, S. Nishizawa, and N. Teramae
    • Journal Title

      Chem. Eur. J.

      Volume: 18 Pages: 9481-9484

    • DOI

      10.1002/chem.201200219

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hierarchically structured periodic mesoporous silica by vapor-phase synthesis2012

    • Author(s)
      L. Guo, Y. Fan, H. Arafune, and N. Teramae
    • Journal Title

      Micropor. Mesopor. Mat.

      Volume: 162 Pages: 122-130

    • DOI

      10.1016/j.micromeso.2012.06.022

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Strong and Selective Binding of Amiloride to an Abasic Site in RNA Duplexes: Thermodynamic Characterization and MicroRNA Detection2012

    • Author(s)
      Y. Sato, T. Ichihashi, S. Nishizawa, and N. Teramae
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 51 Pages: 6369-6372

    • DOI

      10.1002/anie.201201790

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly selective binding of naphthyridine with a trifluoromethyl group to cytosine opposite an abasic site in DNA duplexes2012

    • Author(s)
      Y. Sato, Y. Zhang, T. Seino, T. Sugimoto, S. Nishizawa and N. Teramae
    • Journal Title

      Org. Biomol. Chem

      Volume: 10 Pages: 4003-4006

    • DOI

      10.1039/C2OB25513H

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] DNA-Binding Small Ligand-Immobilized Surface Plasmon Resonance Biosensor for Detecting Single-Nucleotide Polymorphisms

    • Author(s)
      Seiichi NISHIZAWA, Sara MIURA, Akinori SUZUKI, Yukiko FUJIMOTO, Katsuya ONO, Qiang GAO, Norio TERAMAE
    • Organizer
      International Association of Colloid and Interface Scientists, Conference 2012
    • Place of Presentation
      仙台国際センター
  • [Presentation] RNA を標的とする蛍光性小分子の開発

    • Author(s)
      西澤精一
    • Organizer
      第29回無機分析化学コロキウム
    • Place of Presentation
      東北大学 川渡共同セミナーセンター
    • Invited
  • [Presentation] Design of Abasic Site-Specific Small Ligands Conjugated with Cyanine Derivatives for Gene analysis

    • Author(s)
      Yusuke SATO, Seiichi NISHIZAWA, Norio TERAMAE
    • Organizer
      XV International Symposium on Luminescence Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Barcelona University, Spain
  • [Presentation] Selective Binding of Pteridine Derivatives to the Abasic Site in the DNA Duplexes and Their Fluorescence-Based Gene Analysis

    • Author(s)
      Yu TORIYABE, Yusuke SATO, Seiichi NISHIZAWA, Norio TERAMAE
    • Organizer
      XV International Symposium on Luminescence Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Barcelona University, Spain
  • [Presentation] 疎水場感受性プローブを導入したナフチリジン誘導体の合成とRNAとの相互作用解析

    • Author(s)
      齊藤裕貴, 佐藤雄介, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      平成24年度東日本分析若手交流会
    • Place of Presentation
      いこいの村涸沼
  • [Presentation] 遺伝子解析を指向した脱塩基部位結合蛍光性プテリジン誘導体の開発

    • Author(s)
      鳥谷部悠, 佐藤雄介, Yuanfeng Pang, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      平成24年度東日本分析若手交流会
    • Place of Presentation
      いこいの村涸沼
  • [Presentation] 陽極酸化法による多孔質チタニア/チタン積層膜の作製

    • Author(s)
      山本良明, 山口央
    • Organizer
      平成24年度東日本分析若手交流会
    • Place of Presentation
      いこいの村涸沼
  • [Presentation] 蛍光性リガンドによるRNAの選択的検出

    • Author(s)
      齊藤裕貴, 佐藤雄介, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      みちのく分析科学シンポジウム2012
    • Place of Presentation
      山形大学工学部
  • [Presentation] 蛍光性リガンドと核酸の相互作用に基づく分析化学

    • Author(s)
      佐藤雄介
    • Organizer
      第14回機能構造と分析化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      東北大学理学部化学教室
    • Invited
  • [Presentation] Investigation of enzymatic reaction in a nanoporous film by using nanoporous waveguide spectroscopy

    • Author(s)
      Hiroyuki Arafune, Kazuhiro Hotta, Akira Yamaguchi, Tetsuji Itoh and Norio Teramae
    • Organizer
      Tohoku University Campus Asia Summer School 2012
    • Place of Presentation
      Graduate School of Science, Tohoku University
  • [Presentation] Structure Control of Mesoporous Silica Embedded into Pores of Anodic Alumina Membrane Using a Vapor-phase Synthesis Method

    • Author(s)
      Limin GUO, Hiroyuki ARAFUNE, Manato NAMEKAWA, Yong FAN, and Norio TERAMAE
    • Organizer
      IUMRS-ICA 2012
    • Place of Presentation
      BEXCO, Busan, Korea
  • [Presentation] 脱塩基部位結合リガンド-シアニン色素コンジュゲートによる遺伝子解析

    • Author(s)
      佐藤雄介, 工藤恵, 王春霞, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      第6回バイオ関連化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学高等教育推進機構
  • [Presentation] 蛍光性小分子と DNA / RNA ハイブリッドとの相互作用解析

    • Author(s)
      齊藤裕貴, 王春霞, 佐藤雄介, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      第6回バイオ関連化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学高等教育推進機構
  • [Presentation] 脱塩基部位結合性プテリジン誘導体を用いたmicroRNA 蛍光検出

    • Author(s)
      鳥谷部悠, 佐藤雄介, Pang Yuanfeng, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      第6回バイオ関連化学シンポジウム
    • Place of Presentation
      北海道大学高等教育推進機構
  • [Presentation] Hybridization of short oligonucleotides in supercooled water confined to silica mesopores

    • Author(s)
      Hiroyuki ARAFUNE, Manato NAMEKAWA, Akira YAMAGUCHI and Norio TERAMAE
    • Organizer
      RSC Tokyo International Conference 2012
    • Place of Presentation
      幕張メッセ国際展示場
  • [Presentation] Vapor Phase Method to Synthesize Periodic Mesoporous Silica within Anodic Alumina Membrane

    • Author(s)
      Limin GUO, Hiroyuki ARAFUNE, Yong FAN and Norio TERAMAE
    • Organizer
      RSC Tokyo International Conference 2012
    • Place of Presentation
      幕張メッセ国際展示場
  • [Presentation] RNA結合性小分子を用いた小分子RNA検出

    • Author(s)
      佐藤雄介
    • Organizer
      化学系学協会東北大会
    • Place of Presentation
      秋田大学
    • Invited
  • [Presentation] RNAを標的とする蛍光性小分子リガンド

    • Author(s)
      西澤精一
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] RNA-蛍光性小分子相互作用に基づくmicroRNA 検出

    • Author(s)
      佐藤雄介, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] 脱塩基部位結合能を有する蛍光性プテリジン誘導体を用いたmicroRNA検出

    • Author(s)
      鳥谷部悠, 佐藤雄介, Yuanfeng Pang, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] 蛍光性ルマジン誘導体による小分子RNA検出

    • Author(s)
      齊藤裕貴, 佐藤雄介, 西澤精一, 寺前紀夫
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] アルミナ細孔内部におけるクマリン色素とシクロデキストリンの包摂錯体平衡の温度依存性

    • Author(s)
      傳田哲矢, 山口央
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] 陽極酸化法により形成した多孔質チタニア/チタン積層膜の電極特性評価

    • Author(s)
      山本良明, 山口央
    • Organizer
      日本分析化学会第61年会
    • Place of Presentation
      金沢大学角間キャンパス
  • [Presentation] Abasic site-binding small ligands conjugated with cyanine dyes for gene analysis

    • Author(s)
      Yusuke SATO
    • Organizer
      Sendai Symposium on Analytical Sciences 2012
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパスWPI棟5階会議室
    • Invited
  • [Presentation] Development of lumazine derivatives conjugated with cyanine dyes for microRNA detection

    • Author(s)
      Hiroki SAITO, Yusuke SATO, Seiichi NISHIZAWA and Norio TERAMAE
    • Organizer
      Sendai Symposium on Analytical Sciences 2012
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパスWPI棟5階会議室
  • [Presentation] Synthesis and evaluation of pteridine derivatives having alkylamino groups for microRNA analysis

    • Author(s)
      Yu TORIYABE, Yusuke SATO, Yuanfeng PANG, Seiichi NISHIZAWA and Norio TERAMAE
    • Organizer
      Sendai Symposium on Analytical Sciences 2012
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパスWPI棟5階会議室
  • [Presentation] Naphthyridine-fluorophore conjugates as ligands for gene analysis

    • Author(s)
      Chun-Xia WANG, Yusuke SATO, Seiichi NISHIZAWA and Norio TERAMAE
    • Organizer
      Sendai Symposium on Analytical Sciences 2012
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパスWPI棟5階会議室
  • [Presentation] Development of Ratiometric Fluorescent Ligands for Gene Analysis

    • Author(s)
      Yusuke SATO, Chin-Xia Wang, Seiichi Nishizawa and Norio Teramae
    • Organizer
      The Seventh International Forum on Functional Organic Chemistry (IFOC-7)
    • Place of Presentation
      東京大学 弥生講堂 一条ホール
  • [Presentation] 核酸脱塩基部位に結合する蛍光分子の開発とその応用

    • Author(s)
      寺前紀夫
    • Organizer
      日本バイオマテリアル学会 シンポジウム 2012
    • Place of Presentation
      仙台国際センター
    • Invited
  • [Presentation] Fluorescence sensing of nucleic acids based on abasic site-binding small molecules conjugated with cyanine dyes

    • Author(s)
      Yusuke SATO, Megumi KUDO, Yu TORIYABE, Shota KUCHITSU, Chunxia WANG, Seiichi NISHIZAWA, and Norio TERAMAE
    • Organizer
      平成24年度 日本分光学会国際シンポジウム・年次講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 百年記念館
  • [Presentation] Analysis of hybridization behavior of short oligonucleotides in supercooled water confined to silica mesopores

    • Author(s)
      Hiroyuki ARAFUNE, Manato NAMEKAWA, Akira YAMAGUCHI, and Norio TERAMAE
    • Organizer
      平成24年度 日本分光学会国際シンポジウム・年次講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 百年記念館
  • [Presentation] Binding study of fluorescent pteridine derivatives to abasic site-containing RNA duplexes for microRNA detection

    • Author(s)
      Yu TORIYABE, Yusuke SATO, Yuanfeng PANG, Seiichi NISHIZAWA, and Norio TERAMAE
    • Organizer
      平成24年度 日本分光学会国際シンポジウム・年次講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 百年記念館
  • [Presentation] 分析化学の中での教育と研究

    • Author(s)
      寺前紀夫
    • Organizer
      「分離機能とセンシング機能の化学」セミナー2013
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパス 金属材料研究所
  • [Presentation] 多孔質ナノ材料の分析化学などへの応用について

    • Author(s)
      山口央
    • Organizer
      富山県衛生研究所合同セミナー
    • Place of Presentation
      富山県衛生研究所
    • Invited
  • [Presentation] 温度によるメソポーラスシリカ細孔径の制御

    • Author(s)
      成澤 淳, 渋屋 裕太, 山口 央
    • Organizer
      第23回日本化学会関東支部茨城地区研究交流会
    • Place of Presentation
      日立シビックセンター
  • [Presentation] シリカメソ細孔内に閉じ込められたタンパク質構造の細孔径と温度依存性

    • Author(s)
      渋屋祐太, 山口央
    • Organizer
      第10回茨城地区分析技術交流会
    • Place of Presentation
      いばらき量子ビーム研究センター
  • [Presentation] ナノ空間での短鎖DNA会合挙動の評価

    • Author(s)
      樫村成輝, 山口央
    • Organizer
      第10回茨城地区分析技術交流会
    • Place of Presentation
      いばらき量子ビーム研究センター

URL: 

Published: 2015-05-28  

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