人工代謝経路を内包するナノ空間「複合触媒コンパートメント」の創出

• 研究課題/領域番号: 17H01213
• 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: 生体関連化学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 森井 孝 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (90222348)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円); 2020年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円); 2019年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2018年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2017年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
• キーワード: 人工代謝経路 / DNAナノ構造体 / 人工コンパートメント / 分子コンビナート / ナノリポソーム / コンパートメント / 核酸関連化学 / タンパク質・酵素化学 / DNAオリガミ / リポソーム

研究成果の概要

細胞内で特定の代謝経路に関与する酵素群は、決められた小器官中の区画（コンパートメント）で空間的に近接した酵素組織体を形成して、多段階反応を効率よく進行させる機構が知られている。本研究では、平面状DNAナノ構造体を使って構築した2D分子コンビナート、3次元DNAナノ構造体を利用した3D分子コンビナート、そして分子コンビナートをナノリポソームに内包した複合触媒コンパートメントを構築した。これらを利用して、細胞外での多段階反応を効率的に進行させるための問題点であった酵素反応効率の空間配置依存性、DNAナノ構造体の化学的特性による酵素反応効率向上の機構を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生体内代謝反応では、数多くの化学反応が同時に、副反応を限りなく抑えて進行する。このような多段階の反応が並行、かつ選択的に進行する物質変換法は、現在の有機合成化学でもまだ開拓されていない。細胞内代謝経路に関与する酵素群は、決められた小器官中の区画（コンパートメント）で空間的に近接した酵素組織体を形成して、多段階反応を効率よく進行させる。この細胞内物質変換系を細胞の外で実現できれば、高効率に多段階の物質変換をおこなう「分子コンビナート」、さらにナノ空間に分子コンビナートを内包した「複合触媒コンパートメント」が実現し、持続可能社会での環境負荷の少ない工業プロセスに貢献できる。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of the role of the DNA surface for enhancing the activity of scaffolded enzymes (2021)
  • 著者名/発表者名: Lin Peng、Dinh Huyen、Morita Yuki、Zhang Zhengxiao、Nakata Eiji、Kinoshita Masahiro、Morii Takashi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 57 号: 32 ページ: 3925-3928
  • DOI: 10.1039/d1cc00276g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inositol 1,4,5-trisphosphate 3-kinase B promotes Ca2+ mobilization and the inflammatory activity of dendritic cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Marongiu Laura、Morii Takashi、Granucci Francesca, et al
  • 雑誌名: Science Signaling 巻: 14 号: 676
  • DOI: 10.1126/scisignal.aaz2120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fluorescence detection of the nitric oxide-induced structural change at the putative nitric oxide sensing segment of TRPC5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Tajima Shunsuke、Nakata Eiji、Sakaguchi Reiko、Saimura Masayuki、Mori Yasuo、Morii Takashi
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry 巻: 28 号: 8 ページ: 115430-115430
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2020.115430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Receptor-based fluorescent sensors constructed from ribonucleopeptide (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakano Shun、Konishi Hiroaki、Morii Takashi
  • 雑誌名: Methods in Enzymology 巻: 641 ページ: 183-223
  • DOI: 10.1016/bs.mie.2020.04.041
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced enzymatic activity exerted by a packed assembly of a single type of enzyme (2020)
  • 著者名/発表者名: Dinh Huyen、Nakata Eiji、Mutsuda-Zapater Kaori、Saimura Masayuki、Kinoshita Masahiro、Morii Takashi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 11 号: 34 ページ: 9088-9100
  • DOI: 10.1039/d0sc03498c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryogenic Far-Field Fluorescence Nanoscopy: Evaluation with DNA Origami (2020)
  • 著者名/発表者名: Furubayashi Taku、Ishida Keita、Nakata Eiji、Morii Takashi、Naruse Kanta、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 35 ページ: 7525-7536
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c04721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rational design of a DNA sequence specific modular protein tag by tuning the alkylation kinetics (2019)
  • 著者名/発表者名: T.M. Nguyen, E. Nakata, Z. Zhang, M. Saimura, H. Dinh, T. Morii
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 10 号: 40 ページ: 9315-9325
  • DOI: 10.1039/c9sc02990g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Protein adaptors assemble functional proteins on DNA scaffolds (2019)
  • 著者名/発表者名: T.D. Ngo, Tien, N. Huyen, T.M. Nguyen, F.F. Liew, E. Nakata, T. Morii
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 27 号: 83 ページ: 12428-12446
  • DOI: 10.1039/c9cc04661e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction of ribulose biphosphate carboxylase/oxygenase assembled on a DNA scaffold (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Dinh, E. Nakata, P. Lin, M. Saimura, H. Ashida, T. Morii
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry 巻: 27 号: 22 ページ: 115120-115120
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2019.115120
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanometer Accuracy in Cryogenic Far-Field Localization Microscopy of Individual Molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: Furubayashi Taku、Ishida Keita、Kashida Hiromu、Nakata Eiji、Morii Takashi、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 10 号: 19 ページ: 5841-5846
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02184
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA binding adaptors to assemble proteins of interest on DNA scaffold (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakata Eiji、Dinh Huyen、Nguyen Thang Minh、Morii Takashi
  • 雑誌名: Methods Enzymol. 巻: 617 ページ: 287-322
  • DOI: 10.1016/bs.mie.2018.12.014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contribution of Coiled-Coil Assembly to Ca2+/Calmodulin-Dependent Inactivation of TRPC6 Channel and its Impacts on FSGS-Associated Phenotypes (2019)
  • 著者名/発表者名: Polat Onur K.、Uno Masatoshi、Maruyama Terukazu、Tran Ha Nam、Imamura Kayo、Wong Chee Fah、Sakaguchi Reiko、Ariyoshi Mariko、Itsuki Kyohei、Ichikawa Jun、Morii Takashi、Shirakawa Masahiro、Inoue Ryuji、Asanuma Katsuhiko、Reiser Jochen、Tochio Hidehito、Mori Yasuo、Mori Masayuki X.
  • 雑誌名: Journal of the American Society of Nephrology 巻: 30 号: 9 ページ: 1587-1603
  • DOI: 10.1681/asn.2018070756
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Covalent Bond Formation by Modular Adaptors to Locate Multiple Enzymes on a DNA Scaffold. (2019)
  • 著者名/発表者名: Eiji Nakata, Shun Nakano, Arivazhagan Rajendran, Takashi Morii
  • 雑誌名: Kinetic Control in Synthesis and Self-Assembly 巻: 1 ページ: 163-183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly selective dual sensing of ATP and ADP using fluorescent ribonucleopeptide sensors (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakano Shun、Shimizu Musashi、Dinh Huyen、Morii Takashi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 号: 11 ページ: 1611-1614
  • DOI: 10.1039/c8cc09934k
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA Origami Scaffolds as Templates for Functional Tetrameric Kir3 K+ Channels. (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kurokawa, S. Kiyonaka, E. Nakata, M. Endo, S. Koyama, E. Mori, N.H. Tran, H. Dinh, Y. Suzuki, K. Hidaka, M. Kawata, C. Sato, H. Sugiyama, T. Morii, Y. Mori
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 130 号: 10 ページ: 2616-2621
  • DOI: 10.1002/ange.201709982
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nucleic acids-templated enzyme cascades (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, E. Nakata, S. Nakano, T. Morii
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 18 号: 8 ページ: 696-716
  • DOI: 10.1002/cbic.201600703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of Modular Protein-Tags for the Orthogonal Covalent Bond Formation at Specific DNA Sequences (2017)
  • 著者名/発表者名: T.M. Nguyen, E. Nakata, M. Saimura, H. Dinh, T. Morii
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 139 号: 25 ページ: 8487-8496
  • DOI: 10.1021/jacs.7b01640
  • 査読あり
• [学会発表] Chemistry of Spatially Organized Enzymes (2021)
  • 著者名/発表者名: 森井 孝
  • 学会等名: Asian Chemical Biology Initiative 2021 Online Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reaction of enzyme cascades assembled in 3D DNA nanostructure (2019)
  • 著者名/発表者名: LIN, Peng; DINH, Huyen; THANG, Minh Nguyen; NAKATA, Eiji; MORII, Takashi
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] Tuning the reactivity of crosslink formation for sequence-selective DNA-protein conjugation (2019)
  • 著者名/発表者名: ZHANG, Zhengxiao; NAKATA, Eiji; THANG, Nguyen Minh; MORII, Takashi
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] DNAオリガミを鋳型にしたリポソームの形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小西宏明・DINH Huyen・脇坂智彦・中田栄司・仲野瞬・森井 孝
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] Design of sequence specific modular adaptors by tuning the reactivity of protein-tag substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: 張 正宵・中田 栄司・Thang Minh Nguyen・森井 孝
  • 学会等名: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] DNAナノ構造体を鋳型にしたリポソーム形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小西 宏明・DINH Huyen・中田 栄司・仲野 瞬・森井 孝
  • 学会等名: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Integration of Topologically-Interlocked Functional Structures With a DNA Nanostructure (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, S.-J. Park, E. Nakata, Y. Kwon, T. Morii
  • 学会等名: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Chemistry of spatially organized enzymes (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Morii
  • 学会等名: The 5th SKL Symposium on Chemical Biology & Drug Discovery
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemistry of Enzymes Assembled on a DNA scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Morii
  • 学会等名: Asia 3 Roundtable of Nucleic Acids
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNA Binding Adaptors for Locating Multiple Enzymes on DNA scaffold Scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: Eiji Nakata, Thang Minh Nguyen, Zhengxiao Zhang, Huyen Dinh, Peng Lin, Masayuki Saimura, Takashi Morii
  • 学会等名: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Assembling cascade enzymes on a 3D DNA nanostructure (2018)
  • 著者名/発表者名: Peng LIN, Huyen Dinh, Nguyen Minh Thang, Eiji Nakata, Takashi Morii
  • 学会等名: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoliposome enclosing proteins on DNA scaffol (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Konishi, Huyen Dinh, Tomohiko Wakisaka, Eiji Nakata, Shun Nakano, Takashi Morii
  • 学会等名: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] DNA Catenane and Rotaxane Inside a DNA Origami Frame (2018)
  • 著者名/発表者名: Arivazhagan Rajendran, Seo-jeong Park, Eiji Nakata, Youngjoo Kwon, Takashi Morii
  • 学会等名: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Design of sequence specific modular adaptors by tuning the reactivity of protein-tag (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhengxiao Zhang, Eiji Nakata, Thang Minh Nguyen, Takashi Morii
  • 学会等名: The 45th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Efficiency of The Enzyme Cascade Reaction on a DNA Scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Lin, T. Nguyen, H. Dinh, E. Nakata, T. Morii
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] Reaction of Carbonic Anhydrase assembled on DNA scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Dinh, E. Nakata, M. Kinoshita, T. Morii
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] Supramolecular Assemblies of Mechanically Interlocked Components Inside a DNA Origami Frame (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, S.J. Park, E. Nakata, Y. Kwon, T. Morii
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] Sequence Specific Modular Adaptors for Orthogonal Location of Multiple Enzymes on a DNA scaffold (2018)
  • 著者名/発表者名: T. M. Nguyen, E. Nakata, M. Saimura, T. Morii
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] DNAナノ構造体を鋳型にしたナノリポソーム (2018)
  • 著者名/発表者名: 小西宏明，Dinh Huyen，中田栄司，仲野 瞬，森井孝
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] 多数のタンパク質を配置したDNAナノ構造体の構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中田栄司，Dinh Huyen，才村正幸，森井 孝
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会2018
• [学会発表] 直交性を有するモジュール型アダプターによる複数の酵素を配置した分子スイッチボード (2017)
  • 著者名/発表者名: 中田栄司，Nguyen Minh Thang，才村正幸，Dinh Huyen，森井 孝
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Activity of the assembled enzyme on DNA scaffold (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Dinh, E. Nakata, T. Morii
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Assembly of DNA Rotaxane and Catenane Inside a DNA Origami Frame (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, S.-J. Park, E. Nakata, Y. Kwon, T. Morii
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Chemistry of spatially organized biological molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Morii
  • 学会等名: Asian Chemical Biology Initiative
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Assembling Enzymes on a DNA scaffold by modular protein-tag (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Morii
  • 学会等名: Asian 3 Roundtable on Nucleic Acids
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Orthogonal Modular Adaptors to Locate Three Enzymes for Cascade Reaction on DNA Scaffold (2017)
  • 著者名/発表者名: T. M. Nguyen, E. Nakata, M. Saimura, H. Dinh, T. Morii
  • 学会等名: nternational Symposium on Nucleic Acids Chemistry /The 1st Annual Meeting of Japan Society of Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Reaction of enzymes in the ordered assembly states on DNA nanostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Dinh, E. Nakata, T. Morii
  • 学会等名: International Symposium on Nucleic Acids Chemistry /The 1st Annual Meeting of Japan Society of Nucleic Acids Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] DNA Binding Adaptors to Locate Multiple Enzymes on DNA Scaffold (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Nakata, T. Morii
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Assembly of multiple enzymes on a DNA scaffold (2017)
  • 著者名/発表者名: T. M. Nguyen, E. Nakata, M. Saimura, H. Dinh, T. Morii
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] DNA rotaxane and catenane inside a DNA nanostructure (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, S-J. Park, E. Nakata, Y. Kwon, T. Morii
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC2017)
  • 国際学会
• [図書] 核酸科学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 日本核酸化学会監修、杉本 直己編、森井 孝、他著
  • 総ページ数: 576
  • 出版者: 講談社
  • ISBN: 9784065207864
• [備考] 京都大学エネルギー理工学研究所 生物機能化学研究分野 ホームページ
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/material/index.html
• [備考] 酵素を1分子ずつナノメートルの精度で狙い通りに並べる
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2017/170518_2.html
• [備考] DNAオリガミを足場にしたイオンチャネルの集積状態制御
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/new-iae/NewsRelease/JP/2018/02/01-145056.html
• [備考] 酵素を1分子ずつナノメートルの精度で狙い通りに並べる技術を開発
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/new-iae/NewsRelease/JP/2017/06/01-162221.html