蛋白質ナノブロック複合体の合理的超四次構造形成による機能性超分子結晶ナノ材料開発

• 研究課題/領域番号: 17KK0104
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 生体関連化学
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 新井 亮一 信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (50344023)
• 研究期間 (年度): 2018 – 2023
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
• キーワード: タンパク質ナノブロック / 人工タンパク質複合体 / 人工タンパク質デザイン / タンパク質工学 / タンパク質結晶化 / ナノバイオマテリアル / 機能性超分子複合体 / 計算科学 / タンパク質複合体 / ナノマテリアル / 機能性超分子 / 多孔質ナノマテリアル / タンパク質ナノブロック複合体

研究実績の概要

これまでの蛋白質ナノブロック研究の成果を基に、本課題の国際共同研究では、計算科学を取り入れて研究をさらに発展させ、人工蛋白質複合体を規則的に集積させた結晶性ナノ材料を開発することを目的とした。
そこで、2019年度前期に半年間渡米し、ワシントン大学のBaker研究室で、計算機及び実験設備やサポートが充実した世界最高レベルの研究環境を活かして、人工蛋白質設計による超分子結晶ナノ材料開発に関する国際共同研究を実施した。蛋白質デザインプログラムRosetta等を利用して、2次元シート状結晶性ナノ材料を構成する複合体形成αヘリックスドメインを対称的に連結した人工蛋白質を設計した。計算結果から、相互作用面の形状やスコア等の条件により2次元格子状複合体のデザイン構造を絞り込み、実際に実験する人工設計蛋白質配列を選抜した。これらの人工遺伝子を合成し、大腸菌により発現し、精製後、電子顕微鏡観察により、ナノスケールの構造を調査した。いくつかの試料では蛋白質複合体の集合とみられる凝集体が観察されたが、当初設計したような対称性の2次元シート状構造は見られなかった。これらの結果を踏まえながら、その後、さまざまな人工蛋白質の設計開発及び改良等にも取り組んできた。
また、2020年度～2022年度の夏期にも、再度１～2か月間渡米し、同研究室に滞在して共同研究を実施することを計画していたが、新型コロナウイルスの感染拡大の影響による海外出張の自粛等により断念した。そこで、日本国内の研究室で計算及び実験ができるように必要な研究環境の整備を行って研究を進めてきた。関連研究として、金属イオンに応答して会合する人工蛋白質ナノ粒子複合体の研究や新規人工酵素の立体構造解析に関する研究にも取り組んで、研究成果を論文として発表した。

研究成果

• [国際共同研究] University of Washington(米国) (2019)
  • 年月日: 2019-04-01
• [雑誌論文] Crystal structure and activity of a de novo enzyme, ferric enterobactin esterase Syn-F4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurihara Kodai、Umezawa Koji、Donnelly Ann E.、Sperling Brendan、Liao Guanyu、Hecht Michael H.、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 38
  • DOI: 10.1073/pnas.2218281120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protein Cages and Nanostructures Constructed from Protein Nanobuilding Blocks (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Naoya、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2671 ページ: 79-94
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-3222-2_4
  • ISBN: 9781071632215, 9781071632222
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-pot synthesis of fibrillar-shaped functional nanomaterial using microbial transglutaminase (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakono Masafumi、Nakamura Mitsuki、Ohshima Tatsuki、Miyakoshi Ayano、Arai Ryoichi、Minamihata Kosuke、Kamiya Noriho
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: － 号: 6 ページ: 440-446
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2023.03.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enzymatic fabrication of multifunctional amyloid-based protein assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Mitsuki Nakamura, Ryoichi Arai, Noriho Kamiya, Masafumi Sakono
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: － 号: 7 ページ: 538-541
  • DOI: 10.1246/cl.230156
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-enzyme Machinery for Chitin Degradation in the Chitinolytic Bacterium Chitiniphilus shinanonensis SAY3T (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Hiroaki、Sonoda Norie、Nakano Moe、Matsuyama Yuka、Shizume Arisa、Arai Ryoichi、Nogawa Masahiro、Taguchi Goro、Shimosaka Makoto
  • 雑誌名: Current Microbiology 巻: 80 号: 11 ページ: 360-360
  • DOI: 10.1007/s00284-023-03489-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible Assembly of an Artificial Protein Nanocage Using Alkaline Earth Metal Ions (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohara Naoya、Kawakami Norifumi、Arai Ryoichi、Adachi Naruhiko、Moriya Toshio、Kawasaki Masato、Miyamoto Kenji
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 1 ページ: 216-223
  • DOI: 10.1021/jacs.2c09537
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Assembling Lectin Nano-Block Oligomers Enhance Binding Avidity to Glycans (2022)
  • 著者名/発表者名: Irumagawa Shin、Hiemori Keiko、Saito Sayoko、Tateno Hiroaki、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 号: 2 ページ: 676-676
  • DOI: 10.3390/ijms23020676
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production of pentaglycine-fused proteins using Escherichia coli expression system without in vitro peptidase treatment (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakono Masafumi、Oshima Tatsuki、Iwakawa Takako、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: Protein Expression and Purification 巻: 194 ページ: 106068-106068
  • DOI: 10.1016/j.pep.2022.106068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rational thermostabilisation of four-helix bundle dimeric de novo proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Irumagawa Shin、Kobayashi Kaito、Saito Yutaka、Miyata Takeshi、Umetsu Mitsuo、Kameda Tomoshi、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 7526-7526
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86952-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Icosahedral 60-meric porous structure of designed supramolecular protein nanoparticle TIP60 (2021)
  • 著者名/発表者名: Junya Obata, Norifumi Kawakami, Akihisa Tsutsumi, Erika Nasu, Kenji Miyamoto, Masahide Kikkawa, Ryoichi Arai
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 79 号: 79 ページ: 10226-10229
  • DOI: 10.1039/d1cc03114g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of helical linkers for fusion proteins and protein-based nanostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Arai
  • 雑誌名: Methods in Enzymology 巻: 647 ページ: 209-230
  • DOI: 10.1016/bs.mie.2020.10.003
  • ISBN: 9780128208182
• [雑誌論文] Hyperstable De Novo Protein with a Dimeric Bisecting Topology (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Naoya、Mochizuki Kenji、Umezawa Koji、Hecht Michael H.、Arai Ryoichi
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 9 号: 2 ページ: 254-259
  • DOI: 10.1021/acssynbio.9b00501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 人工タンパク質ナノブロック複合体の設計開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小林 直也、川上 了史、新井 亮一
  • 雑誌名: 生化学 巻: 91 号: 2 ページ: 255-259
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2019.910255
  • NAID: 40021942521
  • ISSN: 0037-1017
  • 年月日: 2019-04-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 蛋白質ナノブロックによるレクチン超分子複合体の創出戦略 (2019)
  • 著者名/発表者名: 入間川 伸，新井 亮一
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 269 ページ: 690-696
• [学会発表] Crystal structure of a de novo enzyme, ferric enterobactin esterase Syn-F4 (2023)
  • 著者名/発表者名: 栗原航大, 梅澤公二, Ann E. Donnelly, Michael H. Hecht, 新井亮一
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Structures of de novo proteins from a binary-patterned library and the applications to constructing protein nanobuilding blocks (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Arai
  • 学会等名: Library Design for Protein Engineering 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 人工タンパク質ナノ粒子IP60とレクチンを融合した機能性タンパク質複合体の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田翔汰, 川上了史, 舘野 浩章, 新井亮一
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 新規人工酵素Syn-F4エンテロバクチンエステラーゼのX線結晶構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 栗原航大, 梅澤公二, Ann E. Donnelly, Michael H. Hecht, 新井亮一
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] イソペプチド結合タグを用いた多価抗体タンパク質ナノブロック複合体の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 髙橋五月, 浅野竜太郎, 山本雷蔵, 迫野昌文, 新井亮一
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 多価レクチンナノブロックWA20-ACG複合体の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 入間川 伸，舘野 浩章，新井 亮一
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 三量体レクチンを用いた蛋白質ナノブロックの自己組織化超分子複合体の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 貝川 はるか，舘野 浩章，新井 亮一
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Barium ion responsive reversible assembly of protein supramolecule TIP60 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大原 直也，川上 了史，新井 亮一，宮本 憲二
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 蛋白質ナノブロックによる機能性人工蛋白質複合体の創製に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 新井 亮一
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Icosahedral 60-meric porous structure of designed protein nanoparticle TIP60 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Arai, Norifumi Kawakami, Junya Obata, Akihisa Tsutsumi, Kenji Miyamoto, Masahide Kikkawa
  • 学会等名: The Protein Society, the 36th Annual Symposium
• [学会発表] Self-assembling lectin nano-building blocks enhance avidity to glycans through polyvalent effect (2021)
  • 著者名/発表者名: Shin Irumagawa, Hiroaki Tateno, Ryoichi Arai
  • 学会等名: The Protein Society, the 36th Annual Symposium
• [学会発表] Self-assembling functional complexes of protein nanobuilding blocks with a trimeric lectin (2021)
  • 著者名/発表者名: Haruka Kaigawa, Hiroaki Tateno, Ryoichi Arai
  • 学会等名: The Protein Society, the 36th Annual Symposium
• [学会発表] Structural Basis for Quenchbody (Q-body): Crystal Structures of the Fab Fragment of Anti-Osteocalcin Antibody KTM219 (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuma Yazaki, Misaki Komatsu, Jinhua Dong, Hiroshi Ueda, Ryoichi Arai
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Rational Stabilization of Dimeric Four-Helix Bundle De Novo Proteins Using Molecular Dynamics Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Shin Irumagawa, Kaito Kobayashi, Yutaka Saito, Takeshi Miyata, Mitsuo Umetsu, Tomoshi Kameda, Ryoichi Arai
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 分子標的蛍光インジケーターとグルタチオンS-トランスフェラーゼ複合体のX結晶構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 矢崎 崇真, 岡島 崇文, 瀧 真清, 新井 亮一
  • 学会等名: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 新規人工酵素Syn-F4エンテロバクチンエステラーゼのX線結晶構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗原 航大, 梅澤 公二, Sha Tao, Ann E Donnelly, Michael H Hecht, 新井 亮一
  • 学会等名: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 自己組織化レクチンナノブロックWA20-ACG複合体の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 入間川 伸、 舘野 浩章、新井 亮一
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 人工蛋白質ナノ粒子TIP60の正20面体型60量体多孔質構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小幡 隼也、川上 了史、包 明久、宮本 憲二、吉川 雅英、新井 亮一
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 三量体レクチンを用いたレクチンナノブロックの自己組織化タンパク質超分子複合体の創製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 貝川 はるか、舘野 浩章、新井 亮一
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Thermal Reconstruction of Protein Nanobuilding Block Complexes Using an Ultra-Stable de Novo Protein Domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
  • 学会等名: Gordon Research Conference, Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Reconstruction of Protein Nano-building Block Complexes Using an Ultra-Stable de Novo Protein Domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
  • 学会等名: The Protein Society, 33rd Annual Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Reconstruction of Protein Nanobuilding Block Complexes Using an Ultra-Stable de Novo Protein Domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
  • 学会等名: RosettaCON 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Reconstruction of Protein Nanobuilding Block Complexes Using an Ultra-Stable de Novo Protein Domain (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
  • 学会等名: Innovations in Imaging for the Life Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] タンパク質ナノブロックによる自己組織化ナノ構造複合体の創製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新井 亮一
  • 学会等名: 第26回ペプチドフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] Self-Assembling Supramolecular Nanostructures Constructed from Protein Nano-Building Blocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Arai
  • 学会等名: IPNF 2019 (International Powder and Nanotechnology Forum)
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] クライオ電子顕微鏡ハンドブック（第4章第6節人工設計タンパク質ナノ粒子TIP60の立体構造解析） (2023)
  • 著者名/発表者名: 新井亮一，川上了史，小幡隼也，包明久，那須英里圭，宮本憲二，吉川雅英
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860438043
• [備考] 信州大学 新井亮一研究室
  • URL: http://fiber.shinshu-u.ac.jp/arai/index.html
• [備考] 信州大学 研究者総覧 新井亮一
  • URL: http://soar-rd.shinshu-u.ac.jp/profile/ja.OVkUjFkV.html
• [備考] 信州大学新井亮一研究室ホームページ
  • URL: http://fiber.shinshu-u.ac.jp/arai/index.html