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異種細胞界面で機能する両親媒性人工タンパク質の創製と生物機能の人為的制御

研究課題

研究課題/領域番号 23H00247
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分27:化学工学およびその関連分野
研究機関九州大学

研究代表者

神谷 典穂  九州大学, 工学研究院, 教授 (50302766)

研究分担者 平良 東紀  琉球大学, 農学部, 教授 (60315463)
若林 里衣  九州大学, 工学研究院, 准教授 (60595148)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円)
2025年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
2024年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
2023年度: 16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)
キーワード両親媒性タンパク質 / 細胞膜 / 細胞壁 / 架橋酵素 / 翻訳後修飾 / 脂質修飾タンパク / 抗真菌剤 / ラフト / パルミトイル化
研究開始時の研究の概要

我々の生命活動を担う基本単位である細胞は、脂質と呼ばれる水と油に馴染む性質を有する両親媒性の分子により形成される細胞膜で区画化されている。また、微生物においては、外界との間に主として糖質からなる細胞壁を形成し、その形と機能を維持している。本研究では、細胞膜と細胞壁、それぞれの界面で機能を発揮する人工タンパク質分子を設計し、新しいタイプの薬剤を開発することを最終目標とする。

研究実績の概要

初年度の検討においては、分担研究者の若林里衣准教授の協力の下、脂質部位の構造-機能相関のための人工脂質化タンパク質の多様化とその評価を中心に検討を進めた。緑色蛍光タンパク質をモデルとし、炭素数8から22までの幅広い鎖長の脂肪酸を疎水部として有する人工脂質修飾タンパク質を調製し、これの脂質膜上での動態を、人工脂質二分子膜ならびに生細胞を用いて検証した。その結果、炭素数14以上のアルキル鎖から人工脂質二分子膜へのアンカリング能力は顕在化し、炭素数16から22までのアルキル鎖を有する緑色蛍光タンパク質は、その鎖長に依らず、巨大脂質小胞上のラフト模倣ドメインへ局在することを確認した。さらに、平面脂質二重膜上での拡散挙動の評価から、炭素数16と18の間で側方拡散が著しく抑制されることが明らかとなった。一方、Jurkat細胞を用いた生細胞膜を対象とした検討においては、人工脂質修飾蛍光タンパク質の細胞内剤化挙動が、炭素数18と20を境に大きく変化することが明らかとなった。
人工脂質修飾タンパク質の応用研究については、脂質修飾タンパク質の調製に用いるトランスグルタミナーゼの新たな変異体の取得に成功した。また、分担研究者の琉球大学平良教授の協力の下、植物由来の抗真菌酵素キチナーゼの脂質修飾と抗真菌活性の発現について検討した。特に、アルキル鎖の長さと数が異なる新規人工脂質修飾キチナーゼを調製したところ、炭素数14と16の1本のアルキル鎖を有するキチナーゼドメインがより高い抗真菌活性を示し、これらの脂質修飾が、真菌の細胞壁への浸透を促進する可能性が示唆された。さらに、リポソーム製剤との併用を評価したところ、脂質修飾キチナーゼドメインのアンカリングにより製剤の長期安定性が増すことが明らかとなった。以上より、次年度以降の研究進展に繋がる十分な成果が得られた。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究では、タンパク質分子への部位特異的な脂質導入を介した両親媒性付与を通して、目的タンパク質の細胞膜界面あるいは細胞壁近傍での機能発現に与える影響の理解と、その成果に基づく社会的価値の追求を目標とする。初年度においては、アルキル鎖の長さと数の観点から、脂質化タンパク質の多様化に成功し、人工脂質二分子膜並びに生細胞膜上での動態について、興味深い成果が得られた。抗真菌活性の発現における脂質部位の構造-機能相関に関する一連の基礎研究においては、特にリポソーム製剤との併用における効果を検証できた。さらに、人工脂質修飾タンパク質の調製の鍵酵素である微生物由来トランスグルタミナーゼについて、新たな組換え酵素の設計と検証に成功した。以上の結果から、初年度の研究については概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

次年度においては、人工脂質修飾タンパク質の細胞内在化と、抗真菌活性の発現メカニズムの解明を中心に研究を進めながら、生体系における脂質化の意義についてより深い理解を試みると共に、新たな応用展開を進める。並行して、人工脂質化タンパク質の調製方法の拡張のための技術基盤を構築する。
まず、動物細胞膜との相互作用の可視化と定量化を深化することで、脂質修飾タンパク質の生体膜上での動的挙動に対する理解を深める。また、薬理活性を発現する薬剤設計に向けて、薬剤封入リポソーム等の脂質型製剤と脂質化タンパク質の複合化を試み、製剤の性能と安定性を評価する。さらに、より高度な機能化に向けて、実用に資する多様なタンパク質ドメインを脂質膜に簡便に提示するための技術基盤を確立し、更なる研究発展のための基礎を固める。次に、モデルタンパク質としてキチン結合ドメインと緑色蛍光タンパク質からなる融合タンパク質を用い、真菌を対象とした評価において、脂質修飾が細胞膜・細胞壁との相互作用に与える影響を検討し、抗真菌活性の発現機構に迫る。その際、分担研究者である平良教授との協働により、異なる真菌細胞壁成分をターゲットとする抗真菌活性酵素を取り上げ、そのタンパク質工学的改変を通した脂質導入と抗真菌活性の評価を実施する。並行して、多様な人工脂質修飾タンパク質調製への適用が可能な、微生物由来トランスグルタミナーゼ変異体の改変を進める。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 5件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Engineering the Propeptide of Microbial Transglutaminase Zymogen: Enabling Substrate-Dependent Activation for Bioconjugation Applications2024

    • 著者名/発表者名
      Ariyoshi Ryutaro、Matsuzaki Takashi、Sato Ryo、Minamihata Kosuke、Hayashi Kounosuke、Koga Taisei、Orita Kensei、Nishioka Riko、Wakabayashi Rie、Goto Masahiro、Kamiya Noriho
    • 雑誌名

      Bioconjugate Chemistry

      巻: 35 号: 3 ページ: 340-350

    • DOI

      10.1021/acs.bioconjchem.3c00544

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design of Protease-Responsive Antifungal Liposomal Formulation Decorated with a Lipid-Modified Chitin-Binding Domain2024

    • 著者名/発表者名
      Saputra Hendra、Safaat Muhammad、Santoso Pugoh、Wakabayashi Rie、Goto Masahiro、Taira Toki、Kamiya Noriho
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 25 号: 7 ページ: 3567-3567

    • DOI

      10.3390/ijms25073567

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microbial transglutaminase in drug development2024

    • 著者名/発表者名
      Nishioka Riko、Sato Ryo、Uchida Kazuki、Wakabayashi Rie、Kamiya Noriho
    • 雑誌名

      Transglutaminase: Fundamentals and Applications (Academic Press, Elsevier)

      巻: 1 ページ: 169-180

    • DOI

      10.1016/b978-0-443-19168-8.00011-0

    • ISBN
      9780443191688
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] A Functional Hydrogel Bead-Based High-Throughput Screening System for Mammalian Cells with Enhanced Secretion of Therapeutic Antibodies2023

    • 著者名/発表者名
      Wulandari Diah Anggraini、Tsuru Kyosuke、Minamihata Kosuke、Wakabayashi Rie、Goto Masahiro、Kamiya Noriho
    • 雑誌名

      ACS Biomaterials Science & Engineering

      巻: 10 号: 1 ページ: 628-636

    • DOI

      10.1021/acsbiomaterials.3c01386

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enzymatic fabrication of multifunctional amyloid-based protein assembly2023

    • 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

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] One-pot synthesis of fibrillar-shaped functional nanomaterial using microbial transglutaminase2023

    • 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

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Biomolecular Engineering by Artificial Protein Lipidation2023

    • 著者名/発表者名
      Noriho Kamiya, Rie Wakabayashi, Toki Taira
    • 学会等名
      The 14th AFOB Regional Symposium (ARS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Design of Lipid-based Bioconjugates with Antifungal Activity2023

    • 著者名/発表者名
      Noriho Kamiya, Hendra Saputra, Pugoh Santoso, Rie Wakabayashi, Toki Taira
    • 学会等名
      Young Asian Biological Engineer’s Community (YABEC) 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Lipid moieties affect the dynamics of lipid-modified proteins on lipid membranes2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Uchida, Rie Wakabayashi, Masahiro Goto, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi, Noriho Kamiya
    • 学会等名
      Young Asian Biological Engineer’s Community (YABEC) 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 生命活動と連動して機能する人工バイオ分子の創出2023

    • 著者名/発表者名
      神谷典穂
    • 学会等名
      第75回日本生物工学会大会(シンポジウム:未知の生命情報を獲得するためのバイオ分子ツールの設計と機能創出)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] アルキル鎖長が異なる脂質修飾タンパク質の脂質二分子膜上での動態2023

    • 著者名/発表者名
      内田和希, 若林里衣, 後藤雅宏, 下川直史, 高木昌宏, 神谷典穂
    • 学会等名
      第75回日本生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 脂質修飾タンパク質のアルキル鎖長が膜ダイナミクスに与える影響2023

    • 著者名/発表者名
      内田和希, 若林里衣, 後藤雅宏, 下川直史, 高木昌宏, 神谷典穂
    • 学会等名
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アルキル鎖の長鎖化による脂質修飾タンパク質のダイナミクスの変化2023

    • 著者名/発表者名
      内田和希, 若林里衣, 後藤雅宏, 下川直史, 高木昌宏, 神谷典穂
    • 学会等名
      化学工学会第54回秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 人工脂質化タンパク質の脂質膜上での動態評価2023

    • 著者名/発表者名
      内田和希, 若林里衣, 後藤雅宏, 下川直史, 高木昌宏, 神谷典穂
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会16.0
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Design of engineered active zymogen of microbial transglutaminase2023

    • 著者名/発表者名
      Noriho Kamiya, Ryutaro Ariyoshi, Takashi Matsuzaki, Ryo Sato, Kosuke Minamihata, Konosuke Hayashi, Rie Wakabayashi, Masahiro Goto
    • 学会等名
      Enzyme Engineering XXVII
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Artificial lipidation of proteins controls protein dynamics on lipid membranes2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Uchida, Rie Wakabayashi, Masahiro Goto, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi, Noriho Kamiya
    • 学会等名
      The 16th Asian Congress on Biotechnology (ACB2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 微生物由来トランスグルタミナーゼによる人工タンパク質の創製と応用2023

    • 著者名/発表者名
      神谷典穂
    • 学会等名
      第96回日本生化学会大会(シンポジウム:架橋酵素トランスグルタミナーゼの比較生物学的研究の成果と応用)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 架橋酵素前駆体の活性化と生体分子工学への展開2023

    • 著者名/発表者名
      神谷典穂
    • 学会等名
      生物工学会九州支部創立30周年記念講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ハイドロゲルビーズと無細胞タンパク質合成からなる迅速かつ簡便な酵素選抜系の構築および解析2023

    • 著者名/発表者名
      古賀大晴、大川優生、折田兼成、南畑孝介、神谷典穂
    • 学会等名
      第29回生物工学会九州支部大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Biocatalysis for Biomolecular and Biomaterials engineering2023

    • 著者名/発表者名
      Noriho Kamiya
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Applied Chemistry & The 5th International Conference on Chemical & Material Engineering
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工的な脂質化によるタンパク質の膜ダイナミクス制御と詳細解析2023

    • 著者名/発表者名
      内田和希, 若林里衣, 後藤雅宏, 下川直史, 高木昌宏, 神谷典穂
    • 学会等名
      化学工学会第89年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 九州大学未来化学創造センター年報2023

    • URL

      https://web.cstm.kyushu-u.ac.jp/future/modules/introduction/index.php/report/2023/2023kamiya.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-04-17  

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