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De novo設計による合成ナノポアの構築

公募研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 19H05382
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関東京農工大学

研究代表者

川野 竜司  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90401702)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワードDe novo設計 / ナノポア / 脂質二分子膜 / マイクロ流体デバイス / 電気生理 / de novo設計 / 膜ペプチド / マイクロデバイス
研究開始時の研究の概要

本研究ではde novo設計によりβシート構造の短鎖ペプチドが脂質二分子膜の中で自己集合し、ナノポアを形成するという予備検討で得られた知見を元に、任意の機能を持つナノポア/チャネルを化学合成的手法により構築する。

研究実績の概要

タンパク質のfolding/unfoldingの理解は生命科学の最も重要なトピックスの一つである。ポリアミノ酸であるタンパク質の機能は、そのアミノ酸配列に起因する立体構造によってほぼ決定される。タンパク質の最終的な三次元構造は二次構造であるα-helixやβ-sheetがループでつながり三次元的に配置されたものであるため、アミノ酸の一次配列だけでなくこの二次構造の配置を理解することが重要である。De novo設計はアミノ酸の一次配列を人工的に設計することで最終的な三次元のfolding構造を作る事を目指した設計である。近年では、計算機を用いてアミノ酸の二面角や各種相互作用を詳細に計算することができるようになってきた。膜タンパク質に関してもde novo設計への挑戦が続いていたが、アミノ酸配列のみならず脂質分子との相互作用、疎水性の膜内部と親水性の膜外部のバランスが難しいという課題があった。2020年ワシントン大のBakerらはα-helixの膜貫通部分を有する膜タンパク質のde novo設計と合成に成功したが膜への再構成に課題が残った。本研究では我々も短鎖のペプチドをde novo設計することにより脂質膜に効率よくチャネルを形成するナノポアタンパクの設計に成功した(投稿中)。また領域内共同研究として、バクテリオファージのナノニードルが脂質膜とどのように相互作用するかに関し、人工膜系でこのメカニズムの解明に取り組んだ。上野GはナノニードルのMDシミュレーション、QCMを用いた測定、内橋Gは高速AFMを用いて貫通する際のダイナミクスの観測、申請者はナノニードルが貫通時の電気生理計測と解析から、そのダイナミクスの解明を試みた。その結果、ナノニードルはその先端を特定の角度で脂質膜に突き刺し、膜電位に従って膜を貫通することが明らかとなった。これらの成果をNanoscale誌に発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Department of Chemistry/Univerisity of Cincinnati(米国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] National University of Mongolia(モンゴル)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Dynamic behavior of an artificial protein needle contacting a membrane observed by high-speed atomic force microscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Ueno Takafumi、Niwase Kento、Tsubokawa Daisho、Kikuchi Kosuke、Takai Natsumi、Furuta Tadaomi、Kawano Ryuji、Uchihashi Takayuki
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: in press 号: 15 ページ: 8166-8173

    • DOI

      10.1039/d0nr01121e

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recessed Ag/AgCl Microelectrode-Supported Lipid Bilayer for Nanopore Sensing2020

    • 著者名/発表者名
      Shoji Kan、Kawano Ryuji、White Ryan J.
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 92 号: 15 ページ: 10856-10862

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.0c02720

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analysis of Membrane Protein Deinsertion-Associated Currents with Nanoneedle-Supported Bilayers to Discover Pore Formation Mechanisms2020

    • 著者名/発表者名
      Shoji Kan、Kawano Ryuji、White Ryan J.
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 36 号: 34 ページ: 10012-10021

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c00833

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analytical Model for Particle Capture in Nanopores Elucidates Competition among Electrophoresis, Electroosmosis, and Dielectrophoresis2020

    • 著者名/発表者名
      Chinappi Mauro、Yamaji Misa、Kawano Ryuji、Cecconi Fabio
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 14 号: 11 ページ: 15816-15828

    • DOI

      10.1021/acsnano.0c06981

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] De Novo Design of a Nanopore for DNA Detection Incorporating a β-hairpin Peptide2020

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Keisuke、Mijiddorj Batsaikhan、Yoshida Shuhei、Akayama Shiori、Hamada Yoshio、ohyama akifumi、Usui Kenji、Kawamura Izuru、Kawano Ryuji
    • 雑誌名

      ChemRxiv

      巻: 1 ページ: 1-1

    • DOI

      10.26434/chemrxiv.12286337.v1

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Electrophysiological Analysis of Antimicrobial Peptides in Diverse Species2019

    • 著者名/発表者名
      Saigo Naoki、Izumi Kayano、Kawano Ryuji
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 4 号: 8 ページ: 13124-13130

    • DOI

      10.1021/acsomega.9b01033

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 「Nanopore decoding for DNA computing」(Keynote lecture)2020

    • 著者名/発表者名
      Ryuji Kawano
    • 学会等名
      Nanopore Electrochemistry Meeting (Online)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Analysis of transmembrane peptides using a lipid bilayer system2020

    • 著者名/発表者名
      Ryuji Kawano
    • 学会等名
      第58回 生物物理学会年会 (Online)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ボトムアップ配列設計ペプチドによるナノポアの構築2020

    • 著者名/発表者名
      川野竜司
    • 学会等名
      第72回 日本生物工学会大会(Online)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] De Novo Design of Transmembrane Peptides Constructed in Artificial Cell Membrane System2019

    • 著者名/発表者名
      Ryuji Kawano
    • 学会等名
      Imperial Seminer2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 東京農工大学 川野研究室

    • URL

      http://web.tuat.ac.jp/~rjkawano/index.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 東京農工大学 川野研究室

    • URL

      http://web.tuat.ac.jp/~rjkawano/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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