| Project Area | Genome modality: understanding physical properties of the genome |
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| Project/Area Number |
20H05935
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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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, 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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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥127,530,000 (Direct Cost: ¥98,100,000、Indirect Cost: ¥29,430,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2021: ¥33,280,000 (Direct Cost: ¥25,600,000、Indirect Cost: ¥7,680,000)
Fiscal Year 2020: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
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| Keywords | DNAナノテクノロジ / 人工染色体 / 人工細胞 / マイクロ流体工学 / 分子ロボティクス / DNAナノテクノロジー / 人工クロマチン / 人工細胞核 / DNAゲル |
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| Outline of Research at the Start |
DNAは、ナノスケールでは硬い構造を持ち、メゾスケール (ゲノムDNAスケール; 数百 nmから数十μm) では柔軟な高分子物性を示す階層性のある「ソフトマター」である。DNAのナノスケールの熱力学は分かっているものの、細胞生物学的に重要なメゾスケールの構造物性や動態については解明が進んでいない。本研究では、ゲノムDNAモデルや細胞核モデルを人工合成することにより、メゾスケールのDNAの構造物性や制御原理をナノスケールから解明することを目指す。
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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。研究代表者・瀧ノ上と分担者・鈴木は、細胞の環境を模擬した容器、ジャイアントリポソームを自在に作り出し、その中でのゲノムの挙動を調べるための技術開発を行った。今年度は、マイクロ流路を用いて、少量の溶液を再現性よく均一GUVに封入する技術を開発した。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った。その結果、粘着末端配列、塩濃度、DNA濃度に依存して、リポソーム内でDNAゲルが生成する条件を見出した。また、浸透圧等の外部刺激でそれをコントロールする方法を見出した。また、研究代表者・瀧ノ上は、独自の技術であるDNA液滴を外部から入力した、がんマーカーのマイクロRNA(miRNA)（ナノメートルスケールの分子）の有無によって、相分離・分裂させる方法を構築した。すなわち、DNA液滴のもつメゾ・マイクロスケールの流体物性によって、環境のナノ分子のセンシングができることを示しており、ナノスケールの化学反応とメゾ・マイクロスケールの物理的な性質がカップルできることを示した。また、DNAナノプレート等の構造が、液-液相分離液滴の界面に集積する現象を発見し、A01-1班研究協力者の吉川らとともに、その物理的なメカニズムの探求とともに、ナノ物質のフィルトレーションに応用できることを示した。メカニズムとしては、枯渇効果が効いていると考えられ、細胞核内などの微小空間におけるDNA集合体の性質を調べる研究へ展開が可能であると考えている。
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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ている。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液滴の分裂・複製等の動的な挙動が付与できることを示し、酵素濃度やDNA液滴サイズに依存した、動的な物性について数理モデルを作り、実験と比較して、そのメカニズムの解明にあたっている。
また、従来、GUV形成法には多様な方法が提案され研究されてきたが、脂質二重膜の形成効率や内封物質の封入率、またプロセス全体の再現性に様々な課題あった。分担者・鈴木は、GUV形成効率と再現性を飛躍的に向上させた技術ができたことで、細胞内、核内でのゲノムの挙動を物理的にシミュレーションするための基盤が得られた。また、これらの技術を利用し、研究代表者・瀧ノ上と分担者・鈴木は、協力して「研究実績の概要」にも示したような、リポソーム内でのDNAゲルの制御が実現しつつあり、DNAナノテクノロジーを利用した、メゾ・マイクロサイズ（細胞核サイズ）のDNA集合体の物性研究が順調に進んでいる。さらに、DNA液滴をmiRNAセンシング・コンピューティングへ応用する技術などの開発にも成功し、新たな展開も見えてきている。
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| Strategy for Future Research Activity |
代表者・瀧ノ上は、これまでの基礎技術を発展させ、DNA液滴等のメゾ・マイクロスケールのDNA集合体の化学エネルギー（ATP等）や酵素存在下での動的物性についてさらに検証し、物理メカニズムを探求する。また、それらを応用した人工細胞核の構築にも着手する。分担者・鈴木は、マイクロ流路による均一GUV生成技術を用い、（１）混雑環境が遺伝子発現に与える影響の解析、および（２）DNA凝集たんぱく質がDNAのコンフォメーションに与える影響、について詳細な検討を行う。また、必要に応じ、本技術を領域内の他の研究グループに提供する。
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