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2016 年度 実施状況報告書

サーマルプログラミングによる蛋白質ナノブロックの逐次的自己組織化基盤技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K05841
研究機関信州大学

研究代表者

新井 亮一  信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (50344023)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード人工蛋白質設計 / タンパク質ナノブロック PN-Block / 蛋白質工学 / 蛋白質安定性 / X線結晶構造解析 / ナノバイオテクノロジー / 超分子化学 / 自己組織化
研究実績の概要

近年、私達は、独自のヌンチャク型二量体人工蛋白質を利用した蛋白質ナノブロックを開発し、樽型6量体及び正四面体型12量体の超分子ナノ構造複合体の構築に成功した(JACS 2015)。さらに、複雑な構造を構築するためには、段階的に秩序だって自己組織化する技術の開発が必要である。そこで、本研究では、複数の温度で可逆的に熱変性・再生する蛋白質ナノブロックを開発し、サーマルサイクラーによる温度変化プログラミングにより逐次的に自己組織化させる基盤的技術を開発することを目的としている。これにより、蛋白質ナノブロックを利用して、より複雑で高度なナノ構造複合体を作製する独自の分子技術開発の可能性が広がり、ナノテクノロジーの発展への貢献が大いに期待できる。
そこで、まず、蛋白質ナノブロックによるナノ構造構築技術の高度化を図るために、異なる変性温度で可逆的熱変性するヌンチャク型二量体人工蛋白質の開発及び安定化機構解析を行った。特に平成28年度は、Tmが75℃と120℃の間のヌンチャク型二量体人工蛋白質を開発するために、以前の予備実験で同時に変異させた5つのアミノ酸のうち、1~2アミノ酸を個別に置換した変異体をそれぞれ作成し、発現精製後、CD測定により変性温度の測定を行った。その結果、変性温度が83℃、84℃、85℃、101℃の人工蛋白質変異体が得られ、WA20の75℃やSUWA (Super WA20)の約120℃とも変性温度が異なり、かつ可逆的熱変性が可能なヌンチャク型二量体人工蛋白質のラインナップの充実に成功した。また、今後、これらの変性温度の異なる変異体を合理的に設計開発するために、SUWA人工蛋白質のX線結晶構造解析に成功し、立体構造に基づいて熱安定化機構の理解が大きく進展した。

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

研究実施計画において平成28年度に予定していた、異なる変性温度で可逆的熱変性するヌンチャク型二量体人工蛋白質の開発及び安定化機構解析の実験はおおむね実施することができた。ここまでの研究成果を現在取りまとめ中で、これから論文を執筆するところである。また、いくつか予想以上の興味深い実験結果も得られているため、これらの結果については、今後、さらなる検討も必要と考えられる。

今後の研究の推進方策

異なる変性温度で可逆的熱変性・再生する蛋白質ナノブロックを開発し、サーマルプログラミングにより逐次的に自己組織化する基盤技術を開発する蛋白質ナノブロックによるナノ構造構築技術の高度化の目的を達成するため、今後さらに、異なる変性温度で可逆的に熱変性・再構成する自己組織化蛋白質ナノブロックの開発や、サーマルプログラミングによる蛋白質ナノブロックの逐次的自己組織化ナノ構造構築及び構造解析を進めて、研究を推進する予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成28年度は、現有や共有の設備や余剰の消耗品等を最大限に活用して研究を進めて、研究費の効率的な使用や節約に努めた結果、非常に費用対効果の高い成果を上げることができた。これは、基金制度の趣旨やメリットを活かして、限られた研究費を、研究期間全体を考えながら、メリハリを利かせて効果的に使用することを意識して努力した結果である。また、いくつか予想外の興味深い実験結果も見られたため、それらの結果をさらに追究して理解を深めることが必要であると考えられたので、28年度の本研究経費での学会参加発表や論文発表等を意図的に控えたが、今後、積極的に多くの学会参加発表や論文発表を予定しているため、その経費分を次年度に繰り越した。

次年度使用額の使用計画

次年度使用額はH29年度請求額と合わせて、機器や試薬等の物品や学会参加に伴う参加費・旅費、論文の英文校閲や掲載料等に使用する予定である。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うちオープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 2件、 査読あり 1件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 8件、 招待講演 13件) 備考 (4件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] Princeton University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Princeton University
  • [雑誌論文] Design and construction of self-assembling supramolecular protein complexes using artificial and fusion proteins as nanoscale building blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
    • 雑誌名

      Current Opinion in Biotechnology

      巻: 46 ページ: 57-65

    • DOI

      10.1016/j.copbio.2017.01.001

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 人工蛋白質で「かたち」をつくろう―ブロック遊びしようよ!―2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也,新井亮一
    • 雑誌名

      生物工学会誌

      巻: 94 ページ: 270

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] バイナリーパターン配列デザインによるデノボ蛋白質の創出と蛋白質ナノブロックによる超分子複合体の創生2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也,木村尚弥,新井亮一
    • 雑誌名

      生物工学会誌

      巻: 94 ページ: 485-488

    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Self-assembling supramolecular nanostructures created from de novo protein nanobuilding blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      Okazaki Conference 2017 on Grand Challenges in Small-angle Scattering
    • 発表場所
      岡崎コンファレンスセンター(愛知県岡崎市)
    • 年月日
      2017-03-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] pH-dependent structural transition of self-assembling nanostructures constructed from protein nanobuilding blocks using a dimeric de novo protein2017

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kobayashi, Takuya Sengoku, Takaaki Sato, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      Okazaki Conference 2017 on Grand Challenges in Small-angle Scattering
    • 発表場所
      岡崎コンファレンスセンター(愛知県岡崎市)
    • 年月日
      2017-03-19
    • 国際学会
  • [学会発表] タンパク質ナノブロックによる動的秩序構造形成2017

    • 著者名/発表者名
      木村尚弥、小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶応大学(横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 招待講演
  • [学会発表] Self-assembling supramolecular nanostructures created from de novo protein nanobuilding blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Ryoichi Arai
    • 学会等名
      11th Annual Symposium on Nanobiotechnology 2017
    • 発表場所
      川崎市産業振興会館(川崎市)
    • 年月日
      2017-02-28
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工タンパク質ナノブロック(PN-Block)による自己組織化超分子ナノ構造複合体の創製:“ネオバイオ分子”創出へ向けて2017

    • 著者名/発表者名
      新井亮一
    • 学会等名
      平成28年度第3回富山大学テニュアトラックセミナー
    • 発表場所
      富山大学(富山市)
    • 年月日
      2017-02-03
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamical Ordering Nanostructures Constructed from Protein Nanobuilding Blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      The 5th International Symposium of Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      東京大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2017-01-22
    • 国際学会
  • [学会発表] 人工蛋白質ナノブロックによる多様な自己組織化超分子ナノ構造複合体:ネオバイオ超分子の創生を目指して2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      第39回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • 年月日
      2016-12-02
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質ナノブロック用超安定化人工蛋白質SUWA (Super WA20)の特性解析及び構造解析2016

    • 著者名/発表者名
      木村尚弥、小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      第39回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • 年月日
      2016-12-01
  • [学会発表] 人工タンパク質をブロックに見立てた超分子ナノ構造複合体の設計構築2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場(つくば市)
    • 年月日
      2016-11-25
    • 招待講演
  • [学会発表] De Novo Protein Nano-Building Block Approach for “Synthetic Structural Biology” to Create Artificial Supramolecular Protein Complexes2016

    • 著者名/発表者名
      Ryoichi Arai, Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Michael H. Hecht
    • 学会等名
      THE 42nd NAITO CONFERENCE ON In the Vanguard of Structural Biology: Revolutionizing Life Sciences
    • 発表場所
      CHATERAISE Gateaux Kingdom SAPPORO, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2016-10-06
    • 国際学会
  • [学会発表] 蛋白質ナノブロック用超安定化人工蛋白質SUWA (Super WA20)の特性解析及び構造解析2016

    • 著者名/発表者名
      木村尚弥、小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      第68回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山市)
    • 年月日
      2016-09-29
  • [学会発表] Self-assembling supramolecular nano-architectures created from de novo protein nano-building blocks2016

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      第68回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山市)
    • 年月日
      2016-09-29
    • 招待講演
  • [学会発表] Selfassembling supramolecular nanostructures created by de novo extender protein nanobuilding blocks2016

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kobayashi, Kouichi Inano, Takaaki Sato, Keisuke Miyazawa, Takeshi Fukuma, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      第68回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山市)
    • 年月日
      2016-09-29
  • [学会発表] 人工蛋白質ナノブロック(PN-Block)による自己組織化超分子ナノ構造の創製:“合成構造生物学”を目指して2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      第28回高遠・分子細胞生物学シンポジウム
    • 発表場所
      高遠さくらホテル(長野県伊那市)
    • 年月日
      2016-08-25
  • [学会発表] 人工蛋白質ナノブロックの設計開発による自己組織化超分子ナノ構造複合体の創出2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      2016年度日本生物工学会中部支部例会
    • 発表場所
      名古屋大学(名古屋市)
    • 年月日
      2016-08-05
    • 招待講演
  • [学会発表] タンパク質ナノブロックによる自己組織化超分子複合体の創製2016

    • 著者名/発表者名
      新井亮一
    • 学会等名
      第48回若手ペプチド夏の勉強会
    • 発表場所
      大学セミナーハウス(東京都八王子市)
    • 年月日
      2016-08-01
    • 招待講演
  • [学会発表] 超安定化二量体デノボ蛋白質SUWAの創製と蛋白質ナノブロック複合体構築2016

    • 著者名/発表者名
      木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      第48回若手ペプチド夏の勉強会
    • 発表場所
      大学セミナーハウス(東京都八王子市)
    • 年月日
      2016-08-01
  • [学会発表] Self-assembling supramolecular nanostructures created by de novo extender protein nano-building blocks2016

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kobayashi, Kouichi Inano, Takaaki Sato, Keisuke Miyazawa, Takeshi Fukuma, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      The 30th Anniversary Symposium of the Protein Society
    • 発表場所
      Hyatt Regency Baltimore, Baltimore, MD, USA
    • 年月日
      2016-07-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Super WA20 (SUWA), an ultra-stabilized dimeric de novo protein for self-assembling protein nano-building blocks2016

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kimura, Naoya Kobayashi, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      The 30th Anniversary Symposium of the Protein Society
    • 発表場所
      Hyatt Regency Baltimore, Baltimore, MD, USA
    • 年月日
      2016-07-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-assembling nano-architectures created from a protein nano-building block using an intermolecularly folded dimeric de novo protein2016

    • 著者名/発表者名
      Naoya Kobayashi, Keiichi Yanase, Takaaki Sato, Satoru Unzai, Michael H. Hecht, Ryoichi Arai
    • 学会等名
      The 30th Anniversary Symposium of the Protein Society
    • 発表場所
      Hyatt Regency Baltimore, Baltimore, MD, USA
    • 年月日
      2016-07-16
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-assembling supramolecular nanostructures created from de novo protein nanobuilding blocks2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      分子研研究会 超機能分子の創成
    • 発表場所
      岡崎コンファレンスセンター(愛知県岡崎市)
    • 年月日
      2016-06-28
    • 招待講演
  • [学会発表] ネオバイオ分子の構造機能解析及び設計基盤技術(X線結晶構造解析、タンパク質工学 編)2016

    • 著者名/発表者名
      新井亮一
    • 学会等名
      第5回ネオバイオ分子研究会
    • 発表場所
      鹿児島大学(鹿児島市)
    • 年月日
      2016-06-10
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工蛋白質ナノブロック(PN-Block)による自己組織化ナノ構造創製:“ネオバイオ分子”創出へ向けて2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、木村尚弥、新井亮一
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2016-06-09
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工蛋白質ナノブロックの設計開発による自己組織化超分子ナノ構造複合体の創出2016

    • 著者名/発表者名
      小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2016-06-08
    • 招待講演
  • [学会発表] 超安定化二量体人工蛋白質Super WA20 (SUWA)の安定化機構解析と蛋白質ナノブロックへの応用2016

    • 著者名/発表者名
      木村尚弥、小林直也、新井亮一
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡市)
    • 年月日
      2016-06-08
  • [備考] 新井研究室ホームページ

    • URL

      http://fiber.shinshu-u.ac.jp/arai/index.html

  • [備考] 小林直也研究員が日本蛋白質科学会で若手奨励賞を受賞

    • URL

      http://www.shinshu-u.ac.jp/institution/iccer/topics/iccer/post-29.html

  • [備考] 木村尚弥さん (M2) が分子生物学会で優秀ポスター賞

    • URL

      http://www.shinshu-u.ac.jp/faculty/textiles/news/2016/12/76140.html

  • [備考] 繊維学部 新井亮一准教授らがまとめた、人工タンパク質超分子複合体構築に関する総説が掲載

    • URL

      http://www.shinshu-u.ac.jp/topics/2017/02/-current-opinion-in-biotechnology.html

  • [産業財産権] ドメインスワップ二量体人工タンパク質2017

    • 発明者名
      新井亮一,木村尚弥,小林直也
    • 権利者名
      信州大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2016-101203
    • 出願年月日
      2017-05-20

URL: 

公開日: 2018-01-16   更新日: 2022-02-16  

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