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天然様の性質をもつ人工タンパク質の設計法に関して以下のような研究を行った。
1.分子設計用構造特異性関数の作製
多数の天然タンパク質の立体構造における疎水性アミノ酸残基間の接触と側鎖コンフォメーション自由度の関係を調べ、構造特異性を評価する関数を作製した。その結果、各二次構造中で各疎水性アミノ酸残基の構造特異性に果たす役割を定量的に表すことが出来た。
また、天然タンパク質における疎水性残基置換の効果も予測できるようになった。
2.人工DNA結合タンパク質の分子設計
各アミノ酸の側鎖コンフォメーションの違いを評価することが出来る精密化された分子設計用ポテンシャル関数を作製した。この関数を用いて、DNA結合タンパク質λCroの立体構造を安定化するアミノ酸配列を設計した。合成されたS4は、低濃度で、ほぼターゲットとした2次構造をもつダイマー蛋白質にフォールドした。さらにダイマーの構造モデル中でモノマー間の境界領域を形成するβリボンをβヘアピンに置換することによってモノマーとなるような変異体(S4m)を設計した。合成されたS4mは広い濃度領域でモノマーの状態をとり、良好なNMRスペクトルを示した。
3.実験室進化系の作製
本研究では、人工ヘムタンパク質の実験室進化に向けて、プロトヘムにスペーサーを介してビオチンを結合した新規分子(ビオチンヘム)の設計と合成を行った。合成されたビオチンヘムは単独で天然ヘム蛋白質のアポ体と結合し、その機能を再構成することができた。また、ストレプトアビジンとビオチンの強く特異的な相互作用を利用して、ビオチンヘムに結合した蛋白質を迅速に回収できることを確認した。ビオチンヘムは、人工ヘムタンパク質の実験室進化ばかりでなく、生体中の微量ヘムタンパク質の精製と標識、ヘムタンパク質関連疾患の診断薬、さらには光力学療法用治療薬等としても応用可能である。
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