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2019 年度 実施状況報告書

設計したDNAナノスケール空間が生体分子の物性に与える影響とその機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 18KK0139
研究機関京都大学

研究代表者

遠藤 政幸  京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (70335389)

研究分担者 多田隈 尚史  大阪大学, 蛋白質研究所, 助教 (10339707)
鈴木 勇輝  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50636066)
研究期間 (年度) 2018-10-09 – 2021-03-31
キーワードDNAナノテクノロジー / DNAオリガミ / 光ピンセット / ナノ空間 / 転写反応
研究実績の概要

本研究では、DNAによって様々なナノ空間を設計・構築し、その空間内で1分子の物性の計測と反応の制御を通じて、環境要素の一つである空間が生体分子の物性に与える影響と空間-分子間に働く相互作用を解明する。
生体中でグアニン四重鎖を形成できる配列を持つ2本鎖DNAは遺伝子発現の調節に使われていると考えられている。生体内環境を模倣するため、グアニン四重鎖を形成するヘアピン型の2本鎖DNAをナノケージ中に導入し、光ピンセットを使って、1分子力測定を行い、2本鎖DNAの安定性を検討した。その結果、ヘアピン型2本鎖DNAのアンフォールディングに必要な力がケージなし対し、ナノケージ中では大幅に減少した。このことは、形成された2本鎖DNAの機械的な安定性が、ナノケージに入ることで、大きく不安定化されることが分かった。また、テロメア配列からなる2本鎖DNAでは、ナノケージ内では4種類の状態に分類され、分子長とアンフォールディング力の値から、グアニン四重鎖、i-モチーフ、あるいは2つの四重鎖の形成が検出された。つまり、ナノ空間内で2本鎖DNAがほどかれやすくなり、グアニン四重鎖やi-モチーフの形成が促進されることが明らかになった。
ナノ空間内での生体分子反応に関しては、ナノロッドにキネシンモータータンパク質を結合させたナノ輸送複合体を作成し、キネシンの分子配置がナノ輸送複合体の輸送活性に与える影響を調べた所、分子の密度が高すぎると、速度は変わらないものの、連続歩行距離が減少した。多数の分子からなるナノ空間を設計する際は、分子の自由度だけでなく、立体障害も考慮する必要がある事がわかった。また、構造変換デバイスに関しては、i-モチーフ構造の形成・解離をナノスケールの伸縮機構として利用することで、pHに応答して屈曲・伸展するDNAナノデバイス新たに構築し、AFMによりその構造変化を確認した。

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

当初の予定通り、DNAオリガミ構造体で作成したナノケージ内に様々なDNA構造体、グアニン四重鎖構造、i-motif構造、ヘアピン型2本鎖構造などを導入した分子システムを構築できている。さらに、その空間内での生体分子の機械的な安定性と熱力学的な安定性を光ピンセットによって計測する測定系を構築し、検討を進めることができている。この系を使うことで、空間のデザインや化学修飾など空間環境の拡張が可能であり、引き続き研究を進展させていく。また、ナノ空間に蛋白質を集積化させる技術や、その分子配置の影響を評価する事も可能になってきており、ナノ空間が酵素活性に与える影響を更に評価していく。外部制御可能なDNA構造変換デバイスの構築も現在進展中である。

今後の研究の推進方策

1. ナノ空間内部の環境に対する生体分子への影響の検討
現在使用している測定システムをさらに拡張し、特にナノ空間内部の化学修飾による環境の調整を検討する。空間内部の環境を変えるため、ポリエチレングリコール(PEG)を使ったクラウディング環境を構築し、それを進展させる。PEGで空間内部を化学修飾したナノケージはすでに作成し、様々な内部修飾を行ってきている。また、グアニン四重鎖に対するリガンドを導入した系も構築する。これら特徴的な環境を再現することで、ケージ内部でのグアニン四重鎖構造の物性測定を行う。今後も、作成した系を使って、多様な生体分子の検討と空間のデザインや化学修飾を通じて、「空間と分子間の相互作用」を明らかにしていく。
2.ナノ空間・構造を使った反応の制御法の検討
空間のサイズや空間内外環境を使って反応を制御する手法を開発する。ナノ構造の内部や外側に酵素を固定し、ナノ空間が及ぼす影響を評価する。特に転写反応と物質輸送反応を制御する分子システムを構築し、ナノ空間での反応の特性と検討を行う。また、構築したイオン応答性・pH応答性のDNAナノデバイスの動作特性,機械的特性について評価を進める。

次年度使用額が生じた理由

海外での研究の日数が限られたため、実際に使用した旅費が当初の計上より少なかった。

  • 研究成果

    (41件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 6件、 査読あり 17件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 9件、 招待講演 8件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Jinan University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Jinan University
  • [国際共同研究] Kent State University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Kent State University
  • [国際共同研究] University of Cambridge/University of Leeds(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Cambridge/University of Leeds
  • [国際共同研究] Aalto University(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      Aalto University
  • [雑誌論文] Direct observation and analysis of TET-mediated oxidation processes in a DNA origami nanochip2020

    • 著者名/発表者名
      Xing Xiwen、Sato Shinsuke、Wong Nai-Kei、Hidaka Kumi、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 48 ページ: 4041~4051

    • DOI

      10.1093/nar/gkaa137

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Large Deformation of a DNA‐Origami Nanoarm Induced by the Cumulative Actuation of Tension‐Adjustable Modules2020

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Yuki、Kawamata Ibuki、Mizuno Kohei、Murata Satoshi
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 59 ページ: 6230~6234

    • DOI

      10.1002/anie.201916233

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Advances in DNA Origami?Cell Interfaces2019

    • 著者名/発表者名
      Mishra Shubham、Feng Yihong、Endo Masayuki、Sugiyama Hiroshi
    • 雑誌名

      ChemBioChem

      巻: 21 ページ: 33~44

    • DOI

      10.1002/cbic.201900481

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Observation and Analysis of the Dynamics of the Photoresponsive Transcription Factor GAL42019

    • 著者名/発表者名
      Raghavan Guruprasad、Hidaka Kumi、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 7626~7630

    • DOI

      10.1002/anie.201900610

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] DNA Origami Nanoplate‐Based Emulsion with Nanopore Function2019

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Daisuke、Suzuki Yuki、Kurokawa Chikako、Ohara Masayuki、Tsuchiya Misato、Morita Masamune、Yanagisawa Miho、Endo Masayuki、Kawano Ryuji、Takinoue Masahiro
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 15299~15303

    • DOI

      10.1002/anie.201908392

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Physical Damage in the Intermediate Phase on the Progression of Amyloid β Fibrillization2019

    • 著者名/発表者名
      Tashiro Ryu、Taguchi Hiroaki、Hidaka Kumi、Endo Masayuki、Sugiyama Hiroshi
    • 雑誌名

      Chemistry ? An Asian Journal

      巻: 14 ページ: 4140~4145

    • DOI

      10.1002/asia.201901193

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Translation-dependent unwinding of stem?loops by UPF1 licenses Regnase-1 to degrade inflammatory mRNAs2019

    • 著者名/発表者名
      Mino Takashi、Iwai Noriki、Endo Masayuki、Inoue Kentaro、Akaki Kotaro、Hia Fabian、Uehata Takuya、Emura Tomoko、Hidaka Kumi、Suzuki Yutaka、Standley Daron M、Okada-Hatakeyama Mariko、Ohno Shigeo、Sugiyama Hiroshi、Yamashita Akio、Takeuchi Osamu
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 47 ページ: 8838~8859

    • DOI

      10.1093/nar/gkz628

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Colloidal plasmonic DNA-origami with photo-switchable chirality in liquid crystals2019

    • 著者名/発表者名
      Liu Qingkun、Kuzyk Anton、Endo Masayuki、Smalyukh Ivan I.
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 44 ページ: 2831~2831

    • DOI

      10.1364/OL.44.002831

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Photocaged DNA Nanocapsule for Controlled Unlocking and Opening inside the Cell2019

    • 著者名/発表者名
      Tohgasaki Takeshi、Shitomi Yasuyuki、Feng Yihong、Honna Saisei、Emura Tomoko、Hidaka Kumi、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki
    • 雑誌名

      Bioconjugate Chemistry

      巻: 30 ページ: 1860~1863

    • DOI

      10.1021/acs.bioconjchem.9b00040

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Observation of the Double-Stranded DNA Formation through Metal Ion-Mediated Base Pairing in the Nanoscale Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Xing Xiwen、Feng Yihong、Yu Zutao、Hidaka Kumi、Liu Fenyong、Ono Akira、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 25 ページ: 1446~1450

    • DOI

      10.1002/chem.201805394

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Programming Rotary Motions with a Hexagonal DNA Nanomachine2019

    • 著者名/発表者名
      Yang Yangyang、Zhang Shiwei、Yao Shengtao、Pan Rizhao、Hidaka Kumi、Emura Tomoko、Fan Chunhai、Sugiyama Hiroshi、Xu Yufang、Endo Masayuki、Qian Xuhong
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 25 ページ: 5158~5162

    • DOI

      10.1002/chem.201900221

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] AFM-based single-molecule observation of the conformational changes of DNA structures2019

    • 著者名/発表者名
      Endo Masayuki
    • 雑誌名

      Methods

      巻: 169 ページ: 3~10

    • DOI

      10.1016/j.ymeth.2019.04.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Folding of single-stranded circular DNA into rigid rectangular DNA accelerates its cellular uptake2019

    • 著者名/発表者名
      Ohtsuki Shozo、Shiba Yukako、Maezawa Tatsuoki、Hidaka Kumi、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki、Takahashi Yuki、Takakura Yoshinobu、Nishikawa Makiya
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 11 ページ: 23416~23422

    • DOI

      10.1039/c9nr08695a

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Observation of the Formation and Dissociation of Double-Stranded DNA Containing G-Quadruplex/i-Motif Sequences in the DNA Origami Frame Using High-Speed AFM2019

    • 著者名/発表者名
      Endo Masayuki、Xing Xiwen、Sugiyama Hiroshi
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology

      巻: 2035 ページ: 299~308

    • DOI

      10.1007/978-1-4939-9666-7_17

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Oligomerization of a modular ribozyme assembly of which is controlled by a programmable RNA?RNA interface between two structural modules2019

    • 著者名/発表者名
      Tsuruga Ryusei、Uehara Narumi、Suzuki Yuki、Furuta Hiroyuki、Sugiyama Hiroshi、Endo Masayuki、Matsumura Shigeyoshi、Ikawa Yoshiya
    • 雑誌名

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      巻: 128 ページ: 410~415

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2019.04.003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Using DNA Origami to Contextualize Direct Observations of Enzymes in Action2019

    • 著者名/発表者名
      Andrew J. Lee, Masayuki Endo, Jamie K. Hobbs, Christoph Walti
    • 雑誌名

      Imaging & Microscopy

      巻: 21 ページ: 42~44

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 脂質膜表面におけるDNAオリガミの二次元自己集合化2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木 勇揮, 遠藤 政幸, 杉山 弘
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 59 ページ: 103~105

    • 査読あり
  • [学会発表] Single-Molecule Observation and Analysis of the Dynamics of the Photoresponsive Transcription Factor2019

    • 著者名/発表者名
      G. Raghavan, K. Hidaka, H. Sugiyama, M. Endo
    • 学会等名
      The 46th International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of physical properties of a confined nanospace using G-quadruplex and i-motif as a molecular probes2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Endo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Characterization of DNA origami nanospace using G-quadruplex and i-motif structure2019

    • 著者名/発表者名
      M. Endo, S. Jonchhe, S. Pandey, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, H. Mao
    • 学会等名
      Commemorative International Symposium of the Japan Society of Nucleic Acids Chemistry (CISNAC 2019), Kobe, Japan
    • 国際学会
  • [学会発表] DNAオリガミで構築する分子マシン2019

    • 著者名/発表者名
      遠藤 政幸
    • 学会等名
      分子モーター討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Designed DNA origami nanostructures for analysis and material applications2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Endo
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2019), Singapore
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Characterization of DNA origami nanospace using G-quadruplex and i-motif structure as a molecular probe2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Endo
    • 学会等名
      Nucleic Acid Nanotechnology: from algorithmic design to biochemical applications (NANTECH 2019), Helsinki, Finland
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of physical properties of G-quadruplex and i-motif in a confined nanospace2019

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Endo
    • 学会等名
      16th Annual Conference on Foundations of Nanoscience: Self-Assembled Architectures and Devices (FNANO19)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Oscillatory movement of a dynein-microtubule complex crosslinked with DNA-origami2019

    • 著者名/発表者名
      Shimaa A. Abdellatef, Hisashi Tadakuma, Yuichi Kondo, Kangmin Yan, Rofia Boudria, Kodai Fukumoto, Takashi Fujiwara, Hideo Higuchi, and Keiko Hirose
    • 学会等名
      64th Annual Meeting of Biophysical Society, San Diego Convention Center (San Diego, CA)
    • 国際学会
  • [学会発表] Dicer-2による二本鎖RNAプロセッシングの一分子解析2019

    • 著者名/発表者名
      永沼 政広, 多田隈 尚史, 泊 幸秀
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Reconstitution of kinesin-based transport complex using DNA origami2019

    • 著者名/発表者名
      Kodai Fukumoto, Yuya Miyazono, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada
    • 学会等名
      CBI学会2019年大会
  • [学会発表] How nano-space affects biological phenomena2019

    • 著者名/発表者名
      多田隈尚史
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Oscillatory movement of the dynein-microtubule complex crosslinked with DNA-origami2019

    • 著者名/発表者名
      Abdellatef Shimaa A., 多田隈 尚史, 近藤 雄一, 厳 康敏, 樋口 秀男, 広瀬 恵子
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Evaluating coordination between kinesin motors using DNA origami-based transport complex2019

    • 著者名/発表者名
      福本 紘大, 宮薗 侑也, 多田隈 尚史, 原田 慶恵
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 集積型遺伝子チップを用いた、転写の理解と制御2019

    • 著者名/発表者名
      多田隈尚史
    • 学会等名
      第92回日本生化学会大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Protein integrated nano-chip for transcription analysis and regulation2019

    • 著者名/発表者名
      多田隈尚史
    • 学会等名
      第19回 日本蛋白質科学会年会 / 第71回 日本細胞生物学会大会 合同年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cumulative deformation of a linear DNA origami nanoarm comprising tension-adjustable modules2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Suzuki, Ibuki Kawamata, Kohei Mizuno, Satoshi Murata
    • 学会等名
      Commemorative International Symposium of the Japan Society of Nucleic Acids Chemistry (CISNAC 2019), Kobe, Japan
    • 国際学会
  • [学会発表] Reversible deformation of a linear DNA origami structure through the cumulative actuation of tension-adjustable modules2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Suzuki, Ibuki Kawamata, Kohei Mizuno, Satoshi Murata
    • 学会等名
      Nucleic Acid Nanotechnology: from algorithmic design to biochemical applications (NANTECH 2019), Helsinki, Finland
    • 国際学会
  • [学会発表] Large deformation of a linear DNA origami beam via cumulative actuation of tension-adjustable modules2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Suzuki, Ibuki Kawamata, Kohei Mizuno, Satoshi Murata
    • 学会等名
      16th Annual Conference on Foundations of Nanoscience: Self-Assembled Architectures and Devices (FNANO19), Snowbird, UT, USA
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DNA origami lattices self-assembled on lipid bilayer membranes2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Suzuki
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [備考] 京都大学大学院理学研究科 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

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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