| 研究領域 | 分子夾雑の生命化学 |
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| 研究課題/領域番号 |
17H06348
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
浜地 格 京都大学, 工学研究科, 教授 (90202259)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| キーワード | 生体関連化学 / 分子夾雑 / 生命化学 / ケミカルバイオロジー / リガンド指向性化学 / 超分子化学 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、多成分複合型超分子自己集合体の利用により分子夾雑系を人工構築し、光照射制御による人工超分子材料上での非平衡パターン形成に世界で初めて成功した。究極の分子夾雑環境にある生物では、多様な空間周期性をもったパターン形成が見られる。生物では、形態形成支配因子であるモルフォゲンの濃度勾配によって時空間特異的なタンパク質発現や細胞分化が制御され、複雑な生物学的幾何学パターンを生み出している。拡散過程支配による非平衡パターン形成は、非生物学的現象としても存在し、リーゼガングリングなどが知られている。反応拡散系に基づく非平衡パターン形成は、生物模倣材料の構築への応用が期待されているが、その適用は未だ十分とはいいがたい。以上の背景の中、申請者は、光応答性ペプチド型ナノファイバーと脂質型ナノファイバーから構成される self-sorting ダブルネットワーク (SDN) ヒドロゲルを人工構築し、光刺激に基づくパターン形成を詳細に検討した。SDN ヒドロゲルに対して、フォトマスクを用いて光照射後、室温にて放置した結果、光照射した部分にペプチド型ナノファイバーが濃縮され、空間的に制御された非平衡パターンが形成されるというユニークな現象を見出した。共焦点レーザー顕微鏡を用いた超解像イメージングと分光学的手法を用いたパターン形成機構の解析の結果、凖安定状態にあったペプチドナノファイバーが光照射領域においてモノマーへと変換された後に、熱力学的に安定なナノファイバーが再形成される過程で、光非照射領域からのモノマーの供給が起きることで独特の非平衡パターンが形成されることを明らかにした。本成果は、時空間特異的かつ階層的に構造や機能を制御可能な次世代マテリアル開発に向けた大きな一助として様々な分野への幅広い貢献が期待できる。
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| 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
2021年度に計画していた研究目標を進展することができ、計画研究と方法が概ね順調に進行しているものと判断している。特に、「多成分複合型超分子自己集合体の利用により、分子夾雑系を人工的にデザインし、その機能を独立に制御する方法論の開発」について、上記に記述したように、光照射制御による人工超分子材料上での非平衡パターン形成に世界で初めて成功した。その形成制御過程や超分子ヒドロゲル材料としての機能解析には、総括班CIBICに導入した超解像共焦点顕微鏡を積極的に活用した蛍光イメージング解析が大きく貢献している。以上の成果は、分子夾雑環境の構成的理解につながるだけでなく、細胞内や生きた動物個体中のような分子夾雑環境下で使用可能な新規機能性ソフトマテリアルや診断材料へと波及するものと期待できる。その成果が世界トップレベルの論文誌へ掲載され、他の研究成果に関しても国際学会を含む多くの学会で論文発表を行っていていることは、研究計画の達成度の高さを示している。今後は、合成高分子との複合化やタンパク質、酵素の取り込みによるさらなる機能化や3Dパターン形成へと進む。
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| 今後の研究の推進方策 |
我々がこれまでに見いだしたリガンド指向性化学の分子夾雑環境下で適用可能な有機化学反応としてのさらなる最適化と拡張を目指す。これまでに開発した細胞内環境依存的ラベル化技術をさらに進展させることで、様々な細胞オルガネラ (ER, ミトコンドリア, 核等) を構成する生体分子群 (特にタンパク質や脂質) の分子夾雑環境下での網羅的解析を目指す。「環境応答性反応分子」によるプロテオミクスに関しては、鉄、銅といった金属イオンや一酸化窒素などの活性酸素種応答によるプロテオミクスへの拡張を試みる。また、多成分夾雑システムの人工構築では、合成高分子との複合化やタンパク質や酵素の取り込みによる機能化へと進む。加えて、分子夾雑環境下で適用可能な有機化学のさらなる開拓を目指し、様々なヘテロ原子を含む求核置換反応、芳香族求電子置換反応、ラジカル反応や、遷移金属元素を用いた触媒系を活用した、タンパク質表面での修飾反応を検討する。さらに、特異的な共有結合ラベル化法と質量分析技術を組み合わせて、薬剤標的タンパク質の同定技術も開発する。最終的には、これまでの知見をまとめて統合化し、生細胞内分子夾雑の有機化学に関する重要な要素や分子設計指針を確立する。具体的には、これまでに得られた知見に基づくラベル化剤分子設計やラベル化条件の最適化によって、実用的レベルで高効率かつ確度の高いタンパク質ラベル化技術を確立し、内在性タンパク質の生細胞内その場解析を実現する。さらに、細胞内環境依存的ラベル化技術や環境応答性反応分子を用いて病態モデル細胞と正常細胞間でのオルガネラ構成成分や細胞内環境の差異を定量化し、これらの状態異常が引き起こす疾患の分子メカニズムを明らかにする。また、細胞内や生きた動物個体内における多成分頬雑システムの人工構築と機能発現を試み、新規生体適合性ソフトマテリアルや薬剤放出システムとしての応用を目指す。
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