未開拓タンパク質の1分子計測技術・デバイス開発

• Project Area: Multifaceted Proteins: Expanding and Transformative Protein World
• Project/Area Number: 20H05931
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 渡邉 力也 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (30540108)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥120,250,000 (Direct Cost: ¥92,500,000、Indirect Cost: ¥27,750,000); Fiscal Year 2024: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000); Fiscal Year 2023: ¥20,670,000 (Direct Cost: ¥15,900,000、Indirect Cost: ¥4,770,000); Fiscal Year 2022: ¥20,670,000 (Direct Cost: ¥15,900,000、Indirect Cost: ¥4,770,000); Fiscal Year 2021: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2020: ¥39,000,000 (Direct Cost: ¥30,000,000、Indirect Cost: ¥9,000,000)
• Keywords: 1分子計測 / 未開拓のタンパク質 / マイクロデバイス / 1分子生物物理学 / bioMEMS / 未開拓タンパク質 / CRISPR-Cas

Outline of Research at the Start

本研究では、独自のマイクロチップ/1分子計測技術群を総動員・先鋭化させると共に、様々な異分野技術との融合研究を加速させる。そして、疑似細胞環境におけるタンパク質の多元的かつ網羅的な解析基盤を開発し、タンパク質科学のフロンティア開拓を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

細胞には数千から数万種類にも及ぶタンパク質が発現しており、これらの機能によって生命活動が維持されている。タンパク質の機能の破綻はともすれば細胞の機能異常、疾患へと導く。すなわち、タンパク質の機能を正しく理解することは、疾患の成り立ちの理解を可能とし、その診断・治療法を与える重要な鍵となる。一方で、近年、タンパク質の特殊な存在様式や機能発現様式が注目されており、タンパク質の機能を正しく理解するためには、単に細胞から単離して精微に解析するだけでなく、細胞環境をin vitroで再現する新規手法の開発も併せて必要であると考えられている。そこで、本研究では、独自のマイクロチップ技術と様々な異分野技術との融合を通じて、細胞機能の再構築技術を確立するとともに、レパートリーが増えつつある種々の新規タンパク質の1分子機能計測技術を世界に先駆けて実現することを目的としている。本年度は、昨年度に引き続き、近年基礎/応用研究の両面で汎用される核酸編集/検出酵素であるCRISPR-Casの新規1分子計測技術を開発し、各種orthologにおける酵素活性パラメーターを網羅的に定量することに成功した。また、ロボット技術との融合により1分子計測の自動化にも成功しており、アミノ酸変異・機能異常の相関関係を1分子レベルの感度・精度で網羅的に解析できる新技術基盤が確立しつつある。これらの成果は、タンパク質研究のフロンティアを開拓する次世代手法として一般化されることが強く期待され、その生物学・医薬学における意義は極めて高いものと確信している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の目標であった、1)新規酵素の1分子計測技術の開発、2)網羅的な1分子計測技術の実現の両方を達成することができたため、本年度はおおむね順調に進展したと考えている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、マイクロチップを用いた1分子計測技術の高度化を目指すとともに、計測対象のバリエーションを増やしていきたいと考えている。また、細胞環境の再構築技術も併せて開発を行いたいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Purification/Amplification-Free RNA Detection Platform for Rapid and Multiplex Diagnosis of Plant Viral Infections (2023)
  • Author(s): Ueda, T., *Shinoda, H., Makino, A., Yoshimura, M., Iida, T., & *Watanabe, R.
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95 Issue: 25 Pages: 9680-9686
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01691
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SATORI: Amplification-free digital RNA detection method for the diagnosis of viral infections (2023)
  • Author(s): Iida, T., Shinoda, H., & *Watanabe, R.
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: 3 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0031
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Toward versatile digital bioanalysis (2023)
  • Author(s): Ando, J. & *Watanabe, R.
  • Journal Title: Biomicrofluidics Volume: 17 Issue: 6 Pages: 061303-061303
  • DOI: 10.1063/5.0174727
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Automated amplification-free digital RNA detection platform for rapid and sensitive SARS-CoV-2 diagnosis (2022)
  • Author(s): Shinoda Hajime、Iida Tatsuya、Makino Asami、Yoshimura Mami、Ishikawa Junichiro、Ando Jun、Murai Kazue、Sugiyama Katsumi、Muramoto Yukiko、Nakano Masahiro、Kiga Kotaro、Cui Longzhu、Nureki Osamu、Takeuchi Hiroaki、Noda Takeshi、Nishimasu Hiroshi、Watanabe Rikiya
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 473-473
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03433-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Amplification-free RNA detection with CRISPR?Cas13 (2021)
  • Author(s): Shinoda Hajime、Taguchi Yuya、Nakagawa Ryoya、Makino Asami、Okazaki Sae、Nakano Masahiro、Muramoto Yukiko、Takahashi Chiharu、Takahashi Ikuko、Ando Jun、Noda Takeshi、Nureki Osamu、Nishimasu Hiroshi、Watanabe Rikiya
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 476-476
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02001-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monodisperse Liposomes with Femtoliter Volume Enable Quantitative Digital Bioassays of Membrane Transporters and Cell-Free Gene Expression (2020)
  • Author(s): Soga, N., Ota, A., Nakajima, K., Watanabe, R., Ueno, H., & Noji, H.
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 14 Issue: 9 Pages: 11700-11711
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c04354
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 工学技術を用いた1分子生物物理学研究とその応用 (2023)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 異分野融合研究セミナーiSeminar
  • Invited
• [Presentation] 生物学と工学のハザマから：1分子生物物理学研究とその応用 (2023)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 新学術領域「全能性プログラム：デコーディングからデザインへ」講演会
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの非増幅・迅速検出法の開 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第15回スフィンゴテラピ研究会
  • Invited
• [Presentation] マイクロチップを利用したデジタルバイオ分析技術 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第12回スクリーニング研究会
  • Invited
• [Presentation] マイクロチップを利用した新型コロナウイルスの非増幅迅速検出技術 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 学振R031委員会 第3回研究会
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • Author(s): Rikiya Watanabe
  • Organizer: 3rd KFU-RIKEN Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの超高感度・世界最速検出技術とリキッドバイオプシーへの展開 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: バイオインダストリー協会"未来へのバイオ技術"勉強会「リキッドバイオプシーの展望」
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの世界最速デジタル検出技術の開発 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 学振R165委員会 第103回研究会
  • Invited
• [Presentation] バイオDXを指向したデジタルバイオ分析と疾患診断への展開 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: BioJapan
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 環境バイオテクノロジー学会
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 電気学会E部門総合研究会
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • Author(s): Rikiya Watanabe
  • Organizer: 東京大学先端科学技術研究センター LSBM Monday Seminar Series
  • Invited
• [Presentation] 酵素反応を指標としたウイルスのデジタル検出技術の開発 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第21回蛋白質科学会年会シンポジウム「蛋白質科学が社会へ与えるインパクト」
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第47回生体分子科学討論会
  • Invited
• [Presentation] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • Author(s): Rikiya Watanabe
  • Organizer: IEEE NEMS,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2020)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 京都大学iCeMSシンポジウム「コロナウイルス感染症とナノメディシン」,
  • Invited
• [Presentation] Microsystem for single molecule analysis of membrane proteins (2020)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会 シンポジウム 「膜タンパク質を「生きた」状態で再構成・解析・利用するための新しい脂質膜テクノロジー」,
  • Invited
• [Presentation] マイクロチップを利用した生体分子の1分子高感度機能解析 (2020)
  • Author(s): 渡邉力也
  • Organizer: 第91回日本生化学会大会シンポジウム 「生体内計測技術が拓くタンパク質構造・機能相関と創薬展開」
  • Invited
• [Book] 現代化学増刊号 マテリアル ズ・インフォィクスからマテリアルDX まで (2024)
  • Author(s): 飯田龍也, 安藤潤, 渡邉力也
  • Total Pages: 208
  • Publisher: 東京化学同人