計算機デザインと進化分子工学による新規人工膜タンパク質の創生

• 研究課題/領域番号: 17H00888
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ケミカルバイオロジー
• 研究機関: 東京工業大学 (2020-2021); 大阪大学 (2017-2019)
• 研究代表者: 松浦 友亮 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (50362653)
• 研究分担者: 大崎 寿久 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 人工細胞膜システムグループ, サブリーダー (50533650) ; 藤井 聡志 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 人工細胞膜システムグループ, 研究員 (60619005)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 43,160千円 (直接経費: 33,200千円、間接経費: 9,960千円); 2020年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2019年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2018年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円); 2017年度: 15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円)
• キーワード: 膜タンパク質 / リポソーム / 進化分子工学 / 人工細胞 / 無細胞タンパク質合成系 / デノボデザイン / 人工膜タンパク質 / バイオテクノロジー / リポソームディスプレイ法 / 無細胞翻訳系 / 合理的設計 / 生物物理

研究成果の概要

自然界が進化によって探索した配列空間はほんの一部である。合理的デザインにより、現在までに可溶性タンパク質については、未開拓配列空間に多くの構造・機能を持つ人工タンパク質が存在することが明らかになってきた。本研究では、膜タンパク質でも機能・構造を持つ人工膜タンパク質を持つ分子が存在すること示した。具体的には、2 nmのポアを持つ人工膜タンパク質を設計し、その機能を人工細胞リアクターを用いて明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

人工細胞を構築する研究は、非生命から生命をどのように創り出せるかを明らかにする方法の一つである。現在までに、細胞の機能を模倣した様々な人工細胞が構築されてきた。本研究課題では、人工細胞が人工膜タンパク質の機能解析に用いること、更には、膜タンパク質進化分子工学に使えることを示すものである。

研究成果

• [国際共同研究] University of Washington(米国)
• [国際共同研究] University of Washington/Stanford University(米国)
• [国際共同研究] University of Washington(米国)
• [国際共同研究] Stanford University/University of Washington(米国)
• [雑誌論文] Identification of conditions for efficient cell-sized liposome preparation using commercially available reconstituted in vitro transcription-translation system (2022)
  • 著者名/発表者名: Uyeda, A.; Reyes, S. G.; Kanamori, T.; Matsuura, T.
  • 雑誌名: J Biosci Bioeng 巻: 133 (2) 号: 2 ページ: 181-186
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2021.10.008
  • NAID: 210000159461
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cell-Free Synthesis of Human Endothelin Receptors and Its Application to Ribosome Display (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakai Hiroki、Isshiki Kinuka、Hattori Masato、Maehira Hiromasa、Yamaguchi Tatsumi、Masuda Keiko、Shimizu Yoshihiro、Watanabe Takayoshi、Hohsaka Takahiro、Shihoya Wataru、Nureki Osamu、Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime、Matsuura Tomoaki
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 94 号: 9 ページ: 3831-3839
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c04714
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chimeric mutants of staphylococcal hemolysin, which act as both one‐component and two‐component hemolysin, created by grafting the stem domain (2022)
  • 著者名/発表者名: Ghanem Nouran、Kanagami Natsuki、Matsui Takashi、Takeda Kein、Kaneko Jun、Shiraishi Yasuyuki、Choe Christian A.、Uchikubo‐Kamo Tomomi、Shirouzu Mikako、Hashimoto Tsubasa、Ogawa Tomohisa、Matsuura Tomoaki、Huang Po‐Ssu、Yokoyama Takeshi、Tanaka Yoshikazu
  • 雑誌名: The FEBS Journal 巻: 11 号: 12 ページ: 11-20
  • DOI: 10.1111/febs.16354
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Computational design of transmembrane pores. (2020)
  • 著者名/発表者名: Xu, C.; Lu, P.; Gamal El-Din, T. M.; Pei, X. Y.; Johnson, M. C.; Uyeda, A.; Bick, M. J.; Xu, Q.; Jiang, D.; Bai, H.; Reggiano, G.; Hsia, Y.; Brunette, T. J.; Dou, J.; Ma, D.; Lynch, E. M.; Boyken, S. E.; Huang, P. S.; Stewart, L.; DiMaio, F.; Kollman, J. M.; Luisi, B. F.; Matsuura, T.; Catterall, W. A.; Baker, D.
  • 雑誌名: Nature 巻: 585 (7823) 号: 7823 ページ: 129-134
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2646-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Programmable Artificial Cells Using Histamine-Responsive Synthetic Riboswitch (2019)
  • 著者名/発表者名: Dwidar Mohammed、Seike Yusuke、Kobori Shungo、Whitaker Charles、Matsuura Tomoaki、Yokobayashi Yohei
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 28 ページ: 11103-11114
  • DOI: 10.1021/jacs.9b03300
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bottom-up Creation of an Artificial Cell Covered with the Adhesive Bacterionanofiber Protein AtaA (2019)
  • 著者名/発表者名: Noba Kosaku、Ishikawa Masahito、Uyeda Atsuko、Watanabe Takayoshi、Hohsaka Takahiro、Yoshimoto Shogo、Matsuura Tomoaki、Hori Katsutoshi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 48 ページ: 19058-19066
  • DOI: 10.1021/jacs.9b09340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Class?III Polyphosphate Kinase?2 Enzymes Catalyze the Pyrophosphorylation of Adenosine‐5′‐Monophosphate (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Marin、Uyeda Atsuko、Harada Kazuo、Sato Yu、Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime、Honda Kohsuke、Matsuura Tomoaki
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 20 号: 23 ページ: 2961-2967
  • DOI: 10.1002/cbic.201900303
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In vitro synthesis of the human calcium transporter Letm1 within cell-sized liposomes and investigation of its lipid dependency (2019)
  • 著者名/発表者名: Okamura Kosuke、Matsushita Shuhei、Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime、Matsui Aiko、Oka Toshihiko、Matsuura Tomoaki
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 127 号: 5 ページ: 544-548
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2018.11.003
  • NAID: 40021891579
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative analysis of cell-free synthesized membrane proteins at the stabilized droplet interface bilayer (2018)
  • 著者名/発表者名: Elfaramawy Maie A.、Fujii Satoshi、Uyeda Atsuko、Osaki Toshihisa、Takeuchi Shoji、Kato Yasuhiko、Watanabe Hajime、Matsuura Tomoaki
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 54 号: 86 ページ: 12226-12229
  • DOI: 10.1039/c8cc06804f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Concurrent In Vitro Synthesis and Functional Detection of Nascent Activity of the KcsA Channel under a Membrane Potential (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto M, Elfaramawy MA, Yamatake M, Matsuura T, Oiki S
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 7 号: 4 ページ: 1004-1011
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00454
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Robustness of a Reconstituted Escherichia coli Protein Translation System Analyzed by Computational Modeling (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuura Tomoaki、Hosoda Kazufumi、Shimizu Yoshihiro
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 7 号: 8 ページ: 1964-1972
  • DOI: 10.1021/acssynbio.8b00228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Different protein localizations on the inner and outer leaflet of cell-sized liposomes using cell-free protein synthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Uyeda Atsuko、Watanabe Takayoshi、Hohsaka Takahiro、Matsuura Tomoaki
  • 雑誌名: Synthetic Biology 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1093/synbio/ysy007
  • 査読あり
• [学会発表] 要素から創る無細胞分子システムの構築と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松浦友亮
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 産学連携委員会
  • 招待講演
• [学会発表] Bottom-up construction of synthetic cells and its relation to Earth-Life science (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: 10th ELSI symposium (Online organized by ELSI, Tokyo Tech)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In vitro directed evolution of membrane proteins using ribosome and liposome display (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: New Proteins by Evolution and Engineering (Online organized by OIST)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Engineering and characterizing membrane proteins using artificial cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: New Frontier in Protein Design & Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evolutionary engineering and characterization of membrane proteins using liposome display (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: Protein Engineering Canada 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 人工細胞リアクターの創生と応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松浦友亮
  • 学会等名: 白鷺セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 再構成型セルフリータンパク質合成系を用いたタンパク質配列空間と成分濃度空間探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松浦友亮
  • 学会等名: 2018年度日本農芸化学会
  • 招待講演
• [学会発表] リポソームディスプレイ法を用いた膜タンパク質の創生と解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松浦友亮
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017）
  • 招待講演
• [学会発表] Decorating liposome surface with biological molecule and its application (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: IGER International Symposium on Cell Surface Structures and Functions 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In vitro membrane protein engineering by liposome display (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Matsuura
  • 学会等名: The 17th KIAS Conference on Protein Structure and Function
  • 国際学会 / 招待講演