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2017 年度 実施状況報告書

1分子からのDNA増幅を可能にする酵素のナノ空間への精密配置

研究課題

研究課題/領域番号 16K05861
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

松浦 俊一  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (80443224)

研究分担者 馬場 知哉  国立遺伝学研究所, 先端ゲノミクス推進センター, 特任教員 (00338196)
池田 拓史  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60371019)
山本 勝俊  北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (60343042)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードDNAポリメラーゼ / メソポーラスシリカ / 固定化酵素 / DNA増幅 / 1分子PCR / ナノ空間 / 反応制御 / 多孔質材料
研究実績の概要

遺伝子の精密診断では、極微量DNAの増幅法の開発が求められるが、従来法では標的DNAの選択的増幅が非特異的バックグラウンド増幅により阻害される点に課題があった。本研究では、この課題解決に向け、各種ナノ空間材料へのDNA増幅酵素の固定化による反応制御技術の開発を行った。
当年度は、5種類のナノ空間材料(FSM型及びSBA型メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボン、高Al含有メソ多孔体(C16-meso)、両親媒性有機-無機ハイブリッド多孔体(KCS-2))に固定化した等温DNA増幅反応用の鎖置換型DNAポリメラーゼ(Bst DNAポリメラーゼ)を用いてDNA増幅(LAMP法)を試みた。その結果、メソポーラスカーボンでは反応阻害の傾向が示されたが、その他の材料では陽性反応が認められた。しかし、これらの固定化酵素を繰り返し使用(2~5回)した際には、酵素を含まない反応系においても標的DNA以外の非特異的な増幅が増大したため、反応2回目以降の判定は困難であった。
当年度はまた、DNA増幅反応におけるナノ空間材料のハンドリング性の向上を図るために、メソポーラスシリカ粉末を含んだ多孔質成形体(中空糸状、ペレット状)の開発を行った。比較的親水性の高い有機高分子をバインダーとして適宜の形状に成形した結果、メソポーラスシリカ本来の細孔構造を維持した状態で成形体化することに成功した。
以上の結果より、LAMP法においてはバックグラウンドDNA増幅の影響が大きいものの、シリカ細孔及びKCS-2の両親媒性のナノ空間が酵素の安定な固定化場および反応場となり得る可能性が示唆された。また、メソポーラスシリカ粉末の成形手法を確立した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当年度は、酵素の固定化支持体として用いるメソポーラスシリカ粉末を含んだ多孔質成形体(中空糸状、ペレット状)の開発に多くの時間を要したため、当初計画していた全ての実験項目について検討することはできなかった。等温DNA増幅反応(LAMP法)用のDNA増幅酵素(Bst)を対象にした反応評価では、バックグラウンドDNA増幅の影響が大きいものの、シリカ細孔及びKCS-2の両親媒性のナノ空間が酵素の安定な固定化場および反応場となり得る可能性が示唆された。
以上のことより、当初の計画にはなかった新規の固定化担体(メソポーラスシリカ粉末を含んだ多孔質成形体)の開発も踏まえて次年度の展開を検討していく計画である。

今後の研究の推進方策

次年度は、当年度に実施できなかった実験項目を含め、交付申請書に記載の平成30年度以降の実施計画に沿って研究を推進する。
具体的な推進方策としては、当年度に得られたLAMP法での研究成果を基に、当年度に新たに開発した固定化担体(メソポーラスシリカ粉末を含んだ多孔質成形体)へのBst DNAポリメラーゼの固定化状態の評価について検証する。
また、ここで得られたDNAポリメラーゼ-多孔質成形体をLAMP法に適用し、1分子レベルの極微量DNAからの増幅反応を実現可能にするためのナノ空間材料の表面組成等の最適化を図る。
さらに、固体NMR等の分光学的手法を活用して、支持体として用いるナノ空間材料の細孔表面の緩衝液等による変化を明らかにし、DNA増幅反応に好適な固定化条件を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

(理由)当年度は、等温DNA増幅反応用の鎖置換型DNAポリメラーゼ(Bst DNAポリメラーゼ)など試薬類(消耗費)について研究費の大半を充当する予定であったが、当初計画していなかった、メソポーラスシリカ粉末を含んだ多孔質成形体(中空糸状、ペレット状)の開発に多くの時間を費やすことになったため、DNA増幅反応の評価に必要な試薬・消耗品の購入を必要最低限に留めた。また、当初計画で予定されていた環境微生物からのゲノムDNAの抽出操作および反応解析に着手できず、これらを実施するための研究分担金の未使用分が生じた。

(使用計画)現段階では、メソポーラスシリカを初めとするナノ空間材料やその成形体の準備が整っており、次年度は主に、等温DNA増幅反応用の鎖置換型DNAポリメラーゼ(Bst DNAポリメラーゼ)やゲノムDNAの抽出に関わる試薬等の消耗品費に充当する計画である。また、これまでに得られた知見をまとめ、研究成果の発表(学術論文および学会発表)を行うための論文投稿費、学会登録費、国内旅費等に研究費を充てる予定である。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (8件) 産業財産権 (3件)

  • [雑誌論文] Enzyme Immobilization in Mesoporous Silica for Enhancement of Thermostability2018

    • 著者名/発表者名
      Shun-ichi Matsuura, Manami Chiba, Tatsuo Tsunoda, and Aritomo Yamaguchi
    • 雑誌名

      Journal of Nanoscience and Nanotechnology

      巻: 18 ページ: 104-109

    • DOI

      10.1166/jnn.2018.14580

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct single-molecule observations of DNA unwinding by SV40 large tumor antigen under a negative DNA supercoil state2018

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Takahashi, Shinya Motooka, Shohei Kawasaki, Hirofumi Kurita, Takeshi Mizuno, Shun-ichi Matsuura, Fumio Hanaoka, Akira Mizuno, Masahiko Oshige and Shinji Katsura
    • 雑誌名

      Journal of Biomolecular Structure and Dynamics

      巻: 36 ページ: 32-44

    • DOI

      10.1080/07391102.2016.1269689

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis and crystal structure analysis of a novel microporous barium-containing silicate AES-202017

    • 著者名/発表者名
      K. Yamamoto, T. Ikeda, C. Ideta, K. Watanabe, T. Nakaoka
    • 雑誌名

      Microporous Mesoporous Mater.

      巻: 243 ページ: 239-246

    • DOI

      10.1016/j.micromeso.2017.02.034

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoelectric Properties of Na2ZnSn5 Dimorphs with Na Atoms Disordered in Tunnels2017

    • 著者名/発表者名
      M. Kanno, T. Yamada, T. Ikeda, H. Nagai and H. Yamane
    • 雑誌名

      Chem. Mater.

      巻: 29 ページ: 859-866

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.6b04896

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The microporous aluminosilicate with 12-, 12-, and 8-ring pores and isolated 8-ring channels2017

    • 著者名/発表者名
      N. Nakazawa, T. Ikeda (C.A.), H. Hiyoshi, Y. Yoshida, S. Inagaki and Y. Kubota
    • 雑誌名

      J. Am. Chem. Soc.

      巻: 139 ページ: 7989-7997

    • DOI

      10.1021/jacs.7b03308

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Helical disorder of sodium atom in the tunnel structure of thermoelectric compound Na2+xGa2+xSn4-x2017

    • 著者名/発表者名
      T. Ikeda, T. Yamada and H. Yamane
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 121 ページ: 20141-20149

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b05727

    • 査読あり
  • [学会発表] 両親媒性を有する有機-無機ハイブリッド多孔体の酵素反応への応用2017

    • 著者名/発表者名
      松浦 俊一,池田 拓史,山本 勝俊
    • 学会等名
      第69回日本生物工学会大会
  • [学会発表] 規則性ナノ空孔材料を含んだ多孔質成形体の開発とバイオプロセス応用2017

    • 著者名/発表者名
      松浦 俊一,長瀬 多加子,角田 達朗
    • 学会等名
      第 69回日本生物工学会大会
  • [学会発表] 実空間法を用いた有機-無機ハイブリッド化合物の結晶構造解析2017

    • 著者名/発表者名
      池田拓史,塚本悠介,中岡琢磨,山本勝俊
    • 学会等名
      第33回ゼオライト研究発表会
  • [学会発表] BVS3Dマッピングによるナノ細孔中のアルカリ金属イオンの分布と拡散経路の推定2017

    • 著者名/発表者名
      池田拓史
    • 学会等名
      第33回ゼオライト研究発表会
  • [学会発表] 有機-無機ハイブリッド型層状物質の結晶化2017

    • 著者名/発表者名
      山本勝俊,塚本悠介,中岡琢磨,山本康司,池田拓史
    • 学会等名
      第33回ゼオライト研究発表会
  • [学会発表] 有機-無機ハイブリッド型多孔体KCS-2の酸性質の評価2017

    • 著者名/発表者名
      山本勝俊,中岡琢磨,池田拓史
    • 学会等名
      触媒討論会
  • [学会発表] 遺伝子の水平伝播”とは何か2017

    • 著者名/発表者名
      馬場知哉,阿部貴志
    • 学会等名
      生命科学系学会合同年次大会(ConBio)2017
  • [学会発表] 南極湖沼における細菌ゲノムの構造特性2017

    • 著者名/発表者名
      馬場知哉,阿部貴志,豊田敦,中井亮佑,長沼毅,藤山秋佐夫,神田啓史,本山秀明,伊村智,仁木宏典
    • 学会等名
      生命科学系学会合同年次大会(ConBio)2017
  • [産業財産権] ミクロないしメソポーラス微粒子の多孔質成形体、酵素担持用担体、その酵素複合体及びこれらの製造方法2017

    • 発明者名
      松浦俊 一、長瀬多加子、角田達朗、松浦和佳子、佐藤剛一、清住嘉道
    • 権利者名
      松浦俊 一、長瀬多加子、角田達朗、松浦和佳子、佐藤剛一、清住嘉道
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-15233
  • [産業財産権] Si-tag融合異種酵素とメソポーラスシリカとの複合体2017

    • 発明者名
      松浦俊一、角田達朗、千葉真奈美、山口 有朋、池田 丈、黒田 章夫
    • 権利者名
      松浦俊一、角田達朗、千葉真奈美、山口 有朋、池田 丈、黒田 章夫
    • 産業財産権種類
      特許
    • 公開番号
      特開2018-33451
  • [産業財産権] 異種酵素とメソポーラスシリカとの複合体2017

    • 発明者名
      松浦俊一、角田達朗、千葉真奈美、山口有朋
    • 権利者名
      松浦俊一、角田達朗、千葉真奈美、山口有朋
    • 産業財産権種類
      特許
    • 公開番号
      特開2018-33452

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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