| 研究課題/領域番号 |
17H02097
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
石原 一彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90193341)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 両親媒性ポリマー / 拡散 / 細胞膜 / ホスホリルコリン基 / 電子伝達系 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、両親媒性MPCポリマーが主として分子拡散にて細胞膜透過する機構に着目した。両親媒性MPCポリマーは、水中では、MPC部位が外側に位置し疎水性部位を内側に包み込んだ会合体を形成する。この会合体が細胞膜中へ侵入する際は、リン脂質二重膜の内部が疎水性空間となっているため、疎水部が外側、親水部が内側という会合体の構造変化が生じる。従って、ビニルフェロセンユニットを含むMPCポリマーの様に酸化還元活性ユニットが疎水性である場合、水中での会合体形成能を制御することにより、細胞膜中の脂溶性分子 (キノン類など) のみと選択的に反応させることが出来ると期待される。本年度は、酸化還元活性を有するビオロゲン (Vi) ユニット、疎水性のn-butyl methacrylate (BMA) ユニット (細胞膜透過性を付与するため) により構成された細胞親和性のレドックスポリマーpMBVi ( E = -0.28 V vs. SHE) を合成した。pMBViの細胞親和性を評価するため、pMBViとViモノマーを含む培地中でモデル生細胞大腸菌 (E. coli) を嫌気培養したところ、無添加の系に比較してViモノマー共存下では菌体の生育が有意に抑制されたのに対し、pMBVi共存下ではこの抑制効果は見られなかった。これは、MPCとの共重合によりViユニットの細胞毒性が消失したことを示している。さらに、pMBViを介した電子注入の実現可否を検討するため、-0.4 Vの電位を印加したpMBViと硝酸塩 (大腸菌電子受容体) を含む培地に、大腸菌を導入したところ、大きな還元電流の向上が確認された。この電流は、大腸菌、pMBVi、硝酸のどれか一つでも欠けた場合には観測されなかった。これらの結果は、pMBViを介して大腸菌細胞内へ電極から電子が注入されたことを明確に示している。
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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
リビングラジカル重合で分子構造を規制したポリマーを合成し、機能を有するモノマーユニットを分子内の位置を特定して導入する方法を確立した。具体的には、活性エステルなどの反応性官能基を有するモノマーを利用して、精密合成したユニバーサルデザインのポリマーを得た後、高分子反応を利用して機能性分子団を導入する方法を確定した。これにより、分子構造を揃えて、機能性分子団の効果を明確にできた。特に、機能性分子団として、酸化還元反応により電子の授受が可能なフェロセンを利用して、ポリマーシャトルに導入する。外部電極との電子の授受を、電子キャリアーとしてのポリマーシャトルにより行い、細胞内酸化還元状態、代謝経路・活性を制御できるようになった。この研究成果の発展により、遺伝子操作によらない新たな代謝制御技術として、エネルギー、医療を含む幅広い分野への貢献が期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 好気条件下における電子注入：好気条件下における電子注入の実現可否を検討するため、抽出チラコイド膜]を用いたアッセイを行う。
(2) 細胞内酸化還元種に対する反応選択性の制御：キノン類を酸化還元ユニットとする電子伝達ポリマーの合成を行い反応選択性の評価を行う。現在までに、キノン類のモノマー合成に成功している。
(3) 細胞膜を物質が透過する際には細胞膜に微小な孔の生成が考えられる。その際には、細胞質内容物が漏出する。これを測定し、もしもイオンなどの漏出がないことが判明すれば、ポリマーシャトルの分子拡散機構がより明確になると判断する。そのために、細胞膜近辺のイオン濃度を正確に測定する必要がある。これには、FETイオンセンサーを応用する
(4) 蛍光標識したポリマーシャトルのFRET現象を利用して、二光子レーザー共焦点顕微鏡により細胞膜透過現象を時間分解連続観察する。予備的な検討では、両親媒性MPCポリマーは細胞内に、10-9cm2/secのオーダーの透過係数(P)で透過することが判明している。これを精密に測定し、また細胞膜への溶解性（分配係数K）を評価することで、拡散係数(D=P/K)を算出する。一方、均質媒体中の拡散係数と分子サイズの間にはストークス・アインシュタインの式（D＝kT/6πμr）が成立するために、粒径(r)を求めることができる。これより細胞膜の親水性／疎水性界面での分子形態変化を判断する。
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