未開拓タンパク質の1分子計測技術・デバイス開発

• 研究領域: マルチファセット・プロテインズ：拡大し変容するタンパク質の世界
• 研究課題/領域番号: 20H05931
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 120,250千円 (直接経費: 92,500千円、間接経費: 27,750千円); 2024年度: 20,280千円 (直接経費: 15,600千円、間接経費: 4,680千円); 2023年度: 20,670千円 (直接経費: 15,900千円、間接経費: 4,770千円); 2022年度: 20,670千円 (直接経費: 15,900千円、間接経費: 4,770千円); 2021年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円); 2020年度: 39,000千円 (直接経費: 30,000千円、間接経費: 9,000千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Purification/Amplification-Free RNA Detection Platform for Rapid and Multiplex Diagnosis of Plant Viral Infections (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueda, T., *Shinoda, H., Makino, A., Yoshimura, M., Iida, T., & *Watanabe, R.
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 95 号: 25 ページ: 9680-9686
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01691
  • 査読あり
• [雑誌論文] SATORI: Amplification-free digital RNA detection method for the diagnosis of viral infections (2023)
  • 著者名/発表者名: Iida, T., Shinoda, H., & *Watanabe, R.
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 20 号: 3 ページ: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0031
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Toward versatile digital bioanalysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ando, J. & *Watanabe, R.
  • 雑誌名: Biomicrofluidics 巻: 17 号: 6 ページ: 061303-061303
  • DOI: 10.1063/5.0174727
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automated amplification-free digital RNA detection platform for rapid and sensitive SARS-CoV-2 diagnosis (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 号: 1 ページ: 473-473
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03433-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Amplification-free RNA detection with CRISPR?Cas13 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 号: 1 ページ: 476-476
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02001-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Monodisperse Liposomes with Femtoliter Volume Enable Quantitative Digital Bioassays of Membrane Transporters and Cell-Free Gene Expression (2020)
  • 著者名/発表者名: Soga, N., Ota, A., Nakajima, K., Watanabe, R., Ueno, H., & Noji, H.
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 14 号: 9 ページ: 11700-11711
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c04354
  • 査読あり
• [学会発表] 工学技術を用いた1分子生物物理学研究とその応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 異分野融合研究セミナーiSeminar
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナウイルスの非増幅・迅速検出法の開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 第15回スフィンゴテラピ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロチップを利用したデジタルバイオ分析技術 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 第12回スクリーニング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 学振R031委員会 第3回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • 著者名/発表者名: Rikiya Watanabe
  • 学会等名: 3rd KFU-RIKEN Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 学振R165委員会 第103回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: BioJapan
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 環境バイオテクノロジー学会
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 電気学会E部門総合研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • 著者名/発表者名: Rikiya Watanabe
  • 学会等名: 東京大学先端科学技術研究センター LSBM Monday Seminar Series
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule analysis of bio-molecules and its application (2021)
  • 著者名/発表者名: Rikiya Watanabe
  • 学会等名: IEEE NEMS,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新型コロナウイルスの新規デジタル検出法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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」,
  • 招待講演
• [学会発表] Microsystem for single molecule analysis of membrane proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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」,
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡邉力也
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [図書] 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)
  • 著者名/発表者名: 飯田龍也, 安藤潤, 渡邉力也
  • 総ページ数: 208
  • 出版者: 東京化学同人