細胞機能を制御するDNAナノ構造体分子システムの開発

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03837
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 遠藤 政幸 京都大学, 物質―細胞統合システム拠点, 特定拠点准教授 (70335389)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: DNAナノテクノロジー / DNAナノ構造体 / 細胞機能制御 / 薬物輸送 / 人工受容体

研究実績の概要

本年度は、人工的な受容体システムを開発するため、十字型のDNAオリガミ構造体を用いて2次元格子構造を構築し、脂質二重膜上での自己集合化の方法とその形成過程の可視化を行った。次に、十字構造体に針状構造体を中心に導入することで、脂質二重膜を貫通する格子状集合体と作成しリポソームと相互作用する系を構築した。マイカ上にDOPCによって脂質2重膜を作成し、この上に十字型のDNAオリガミ構造体を静電的に吸着した。脂質二重膜上では十字型のオリガミ構造体は十字構造の末端のπ－π相互作用によってモノマー同士が結合し、格子構造を形成した。特に、オリガミ構造体の溶液中の濃度が高い状態では、数マイクロメーターの格子構造を形成することを見出し、脂質二重膜上での流動性が拡張した格子構造を作るうえで重要であることがわかった。
作成した系を用いて、十字構造体に針状構造体を中心に導入することで、脂質二重膜を貫通する格子状集合体と作成し、脂質二重膜からなるリポソームと相互作用する系を構築した。十字構造の中心に4本の2本鎖DNAが結合した、剛直な20 nmの針状構造体を用いて中心を貫通するように設計した。この構造体を自己集合させると十字構造の中心に高さのある針状構造物が導入されているのがAFMから確認できた。これを用いて相補的に結合する2種類の十字型構造体を作成した。これらをアセンブルすると20個程度のモノマーが含まれた格子集合体の形成が見られた。これらの構造体をもつリポソームに加えると、その表面に結合することが蛍光顕微鏡観察から確認できた。

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

当初計画した脂質膜上でのDNAナノ構造体のアセンブリーの構築とその集合過程の可視化を行えた。脂質膜を貫通するDNAナノ構造体の構築も行えた。

今後の研究の推進方策

本年度は、作成したDNAナノ構造体を使ってリポソームとの相互作用とリポソーム内部への分子のデリバリーを行う。また、細胞との相互作用と細胞機能の制御の誘導を行える分子システムを構築する。

研究成果

• [国際共同研究] Ken State University/University of Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Ken State University/University of Florida
• [国際共同研究] The Hebrew University of Jerusalem(Israel)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: The Hebrew University of Jerusalem
• [国際共同研究] Wuhan University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Wuhan University
• [国際共同研究] University of Bordeaux(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Bordeaux
• [雑誌論文] Direct visualization of walking motions of a photo-controlled DNA nanomachine on the DNA nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, M. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama, M. Endo
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 15 ページ: 6672-6676
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02502
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Manipulation of the Duplex Formation and Dissociation at the G-quadruplex/i-motif Site in the DNA Nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, X. Xing, X. Zhou, T. Emura, K. Hidaka, B. Tuesuwan, H. Sugiyama
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 9 ページ: 9922-9929
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b03413
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lipid bilayer-supported two-dimensional self-assembly of DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 ページ: 8052
  • DOI: 10.1038/ncomms9052
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-MolecSingle-Molecule Visualization of the Zn2+-Dependent DNAzyme Functions (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo Y. Takeuchi, Y. Suzuki, T. Emura, K. Hidaka, F. Wang, I. Willner, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 54 ページ: 10550-10554
  • DOI: 10.1002/anie.201504656
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Measuring chloride in live cells (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 10 ページ: 569-570
  • DOI: 10.1038/nnano.2015.142
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Linking Two DNA Duplexes with a Rigid Linker for DNA Nanotechnology (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Tashiro, M. Iwamoto, H. Morinaga, T. Emura, K. Hidaka, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 43 ページ: 6692-6700
  • DOI: 10.1093/nar/gkv662
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient amplification of self-gelling polypod-like structured DNA by rolling circle amplification and enzymatic digestion (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yata, Y. Takahashi, K. Hidaka, H. Sugiyama, M. Endo, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 14979
  • DOI: 10.1038/srep14979
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Small molecule binding to G-hairpin and G-triplex: A new insight in anticancer drug design targeting G-rich regions (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, K. Hidaka, M.-P. Teulade-Fichou, J.-L. Mergny, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 51 ページ: 9181-9184
  • DOI: 10.1039/C5CC01678A
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mimicking membrane-related biological events by DNA origami nanotechnology (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 9 ページ: 3418-3420
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b01723
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Studying RNAP?promoter interactions using atomic force microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Methods 巻: 86 ページ: 4-9
  • DOI: 10.1016/j.ymeth.2015.05.018
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Self-assembling DNA dendrimer for effective delivery of immunostimulatory CpG DNA to immune cells (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Mohri, E. Kusuki, S. Ohtsuki, N. Takahashi, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Biomacromolecules 巻: 16 ページ: 1095-1101
  • DOI: 10.1021/bm501731f
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Atomic Force Microscopy Analysis of Orientation and Bending of Oligodeoxynucleotides in Polypod-like Structured DNA (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shiomi, M. Tan, N. Takahashi, M. Endo, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Nano Research 巻: 8 ページ: 3764-3771
  • DOI: 10.​1007/​s12274-015-0875-y
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimal Arrangement of Four Short DNA Strands for Delivery of Immunostimulatory Nucleic Acids to Immune Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Ohtsuki, N. Matsuzaki, K. Mohri, M. Endo, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Nucleic Acid Theraputics 巻: 25 ページ: 245-253
  • DOI: 10.1089/nat.2014.0524
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Folding RNA-Protein Complex into Designed Nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, Y. Suzuki, H. Sugiyama, M. Endo, H. Saito
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1316 ページ: 169-179
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-2730-2_14
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] High-speed AFM imaging of synthetic molecules and nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: Ten Years of DNA Origami
  • 発表場所: California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Controllable molecular nanosystems using DNA origami nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 2nd SPIRIT international symposium, Light Opening up Frontier of DNA and Nanocrystal Superstructures
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-02-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule nanosystems constructed in the DNA nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: University of Bordeaux-Kyoto University Mini-Symposium on Biomolecular Science
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-01-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule manipulation and visualization of multiple DNA structural changes in the DNA nanostructures using high-speed AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, H. Sugiyama
  • 学会等名: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 発表場所: Honolulu, HI, USA
  • 年月日: 2015-12-19
  • 国際学会
• [学会発表] AFM based imaging of single-molecule motions using DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 1st SPIRIT international symposium, Frontier of DNA and Nanocrystal Superstructure
  • 発表場所: Honolulu, HI, USA
  • 年月日: 2015-12-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule imaging of photoresponsive molecular system constructed in the DNA nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: 601. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, DNA Nanotechnology Meets Plasmonics
  • 発表場所: Physikzentrum, Bad Honnef, Germany
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットの感覚となるDNAレセプターの構築 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第59回人工知能学会 分子生物情報研究会
  • 発表場所: 慶応大学日吉キャンパス、横浜
  • 年月日: 2015-11-14
  • 招待講演
• [学会発表] DNA ナノ構造体上での光駆動型DNA モーターの歩行運動の1 分子観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸、楊 泱泱、Marisa A. Goetzfried、日高 久美、Mingxu You、Weihong Tan、杉山 弘
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会 8.0
  • 発表場所: 大阪大学吹田キャンパス、吹田
  • 年月日: 2015-11-12
• [学会発表] AFM based imaging of single-molecule motions using DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 2nd Kobe mini-symposium on functionalized organic molecules
  • 発表場所: Kobe University, Kobe
  • 年月日: 2015-11-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットの感覚となるDNAオリガミ構造体と脂質二重膜との相互作用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 情報計算化学生物(CBI)学会2015大会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-10-27
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule observation of a photo-controlled DNA walker on the DNA origami tile (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, M. A. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama , M. Endo
  • 学会等名: The 42nd International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
  • 発表場所: Himeji
  • 年月日: 2015-09-23
  • 国際学会
• [学会発表] 脂質2重膜を利用したDNAナノ構造体の自己集合化とその動的な挙動の観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第64回高分子討論会
  • 発表場所: 東北大学、仙台
  • 年月日: 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質2重膜上でのDNAナノ構造体の自己集合過程の動的な観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸、鈴木 勇輝、杉山 弘
  • 学会等名: 第9回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 熊本大学、熊本
  • 年月日: 2015-09-10
• [学会発表] Direct visualization of a photo-controlled DNA walker on the DNA nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y. Yang, M. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama
  • 学会等名: The Twentieth International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
  • 発表場所: Harvard University, Cambridge, MA, USA
  • 年月日: 2015-08-17 – 2015-08-22
  • 国際学会
• [学会発表] DNAナノ構造体を使った1分子イメージング法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第52回薬剤学懇談会研究討論会
  • 発表場所: 加賀
  • 年月日: 2015-07-16
  • 招待講演
• [学会発表] AFM based single-molecule imaging of molecular motions in the DNA origami scaffold (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 5th International Conference on Nucleic Acid-Protein Chemical and Structural Biology for Drug Discovery
  • 発表場所: Sichuan University, Chengdu, China
  • 年月日: 2015-05-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direct visualization of the dynamic process of DNA origami assembly on the lipid bilayer surface (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y, Suzuki, H. Sugiyama
  • 学会等名: 12th Conference on the Foundations of Nanoscience 2015
  • 発表場所: Snowbird, UT, USA
  • 年月日: 2015-04-14
  • 国際学会
• [備考] 京都大学物質－細胞統合システム拠点DNAナノテクノロジーグループ
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/chembio/top_page_j.html