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2020 年度 実施状況報告書

βグルカンによるDNA2重らせんの裂開メカニズムなど:化学的量子状態間の転移挙動

研究課題

研究課題/領域番号 20K20449
配分区分基金
研究機関北九州市立大学

研究代表者

櫻井 和朗  北九州市立大学, 環境技術研究所, 教授 (70343431)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード化学的量子状態 / 多糖核酸複合体 / 小角X線散乱 / プラトニックミセル
研究実績の概要

我々は天然の糖類の一種であるβ1,3グルカン(以下SPG)とDNAが全く新しいタイプの高分子複合体を形成することを発見し、DDSへの応用研究を医学研究者や企業と進めてた。その成果は、感染症ワクチンの効果を高める補助剤のアジュバントの開発が進んでいる。
本年度は、分子量(分子の長さ)が低く制御されたSPGを使って複合体を作ると、DNAがSPGの中から複合体を作るに最適な長さの分子だけを選び出して、低分子化合物のような分布のない複合体を作ることが分かった。これまでにDNAを1本と2本含む複合体を単離して詳細に解析し論文化を進めている。我々はこの複合体を従来の分布が広い多糖核酸複合体と区別する意味で、量子化多糖核酸複合体(qSDC)と呼んでいる。これはDNAの本数で複合体が量子化されているからである。
qSDCは単分散で小さなタンパク質程度の分子量をもつ中分子医薬のようである。
このqSDCからなる複合体を用いて、核酸医薬の細胞への導入試験をしたところ飛躍的に高い効果を示した。qSDCの活性が高い理由は不明であり、細胞取り込み、エンドソームからの脱出などを、細胞内動態を蛍光顕微鏡観察している。

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

多糖核酸複合体:上述したように単離したqSDCに関しての物性に関するデータをまとめて論文化を進めている。
プラトニックミセル:不連続に会合数が変化する理論に関しては、アイデアを得て基礎方程式の構築は終わった。概略をしめす。通常のミセルの塩濃度変化を自由エネルギーの変化として考えると、安定だった初期状態Aが変化後では不安定になりユニマーの濃度が増加するとともに会合数は自由エネルギー斜面を異なる状態Bに向かって変化していく。ことのとき、変化は必ず指数関数的に変化する。なぜなら、ダイナミクスを記述する微分方程式に必ず指数関数を与える項が含まれるからである。プラトニックミセルの場合は一般的なミセルの自由エネルギーの曲面から被覆率の分だけ低くなっていると考えても良い。その安定化の分は熱揺らぎより大きくなくてはならない。なぜなら、逆だとやはり指数関数を与える項が含まれ誘導期は現れない。我々はシグモイダル的な変化の理由として8個のユニマーと12量体から20量体が形成されるモデルを考えた。
この理論では、8√(k+12→20)[un]が1を超えると急速に20量体が形成されることが説明できる。このようなモデルで反応速度論的な連立微分方程式を組み立てて計算すると実験を上手く説明することができる。現在、理論の数学的な精密化(微分方程式の安定解が存在する条件など)をすすめている。

今後の研究の推進方策

プラトニックミセル:今まで合成してきたカリクサレン以外の脂質の中で、糖やペプチドなどの大きな親水性基を有する化合物でもこの現象を示す。特に、天然の環状ペプチドからなるサーファクチンが同様のプラトニックミセルの性質を示すので、この化合物に関して、超遠心などを用いて分子量とその分布を測定して、系の性質を詳細に調べる予定である。その後、これらの化合物に関しても温度や塩濃度ジャンプをしたあとのミセル形成ダイナミクスの時間分解X線測定を行う。
多糖核酸複合体:多糖核酸複合体が形成される2つの過程に関して、時間分解放射光X線散乱法と時間分解円偏向2色性測定を用いて解明する。また、この変化は極めて遅いので、形成過程を多角度光散乱光度計や動的光散乱計と組合したゲル浸透クロマトグラフィー (GPC)の溶出曲線でも追跡できるか試みる。さらにはDNAや多糖に蛍光色素を修飾して、FRETを観測することでDNAの2重鎖の開裂を見ていく。この時、標的DNA鎖の5’端と3’端でのFRET観測からどちらの端からDNAが開いていくかを検討する。

次年度使用額が生じた理由

令和2年は、新型コロナウイルス感染症対策のため、約3ヶ月の大学への入構規制があった。特に北九州では非常事態宣言解除後に急速に患者数が増加したこともあって、研究室への入室が完全に禁止される状態となり、その間、試薬、消耗品の発注ができなかったため翌年度に購入する。また、プラトニックミセルの形状を評価する重要な手段である、大型放射光施設のSPring-8が半年間完全に止まり予定していた測定が遅れたため、翌年度に実行するもの。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 3件、 査読あり 16件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Binding assay of human Dectin-1 variants to DNA/β-glucan complex for active-targeting delivery of antisense DNA2021

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Nobuaki、Izumi Hiroto、Kira Ryoma、Morimoto Yasuo、Mochizuki Shinichi、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Carbohydrate Research

      巻: 500 ページ: 108219~108219

    • DOI

      10.1016/j.carres.2020.108219

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unraveling Decisive Structural Parameters for the Self-Assembly of Supramolecular Polymer Bottlebrushes Based on Benzene Trisureas2020

    • 著者名/発表者名
      Gruschwitz Franka V.、Fu Mao-Chun、Klein Tobias、Takahashi Rintaro、Higashihara Tomoya、Hoeppener Stephanie、Nischang Ivo、Sakurai Kazuo、Brendel Johannes C.
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 53 ページ: 7552~7560

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.0c01361

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Induction of potent cell growth inhibition by schizophyllan/K-ras antisense complex in combination with gemcitabine2020

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Shogo、Izumi Hiroto、Morimoto Yasuo、Sakurai Kazuo、Mochizuki Shinichi
    • 雑誌名

      Bioorganic & Medicinal Chemistry

      巻: 28 ページ: 115668~115668

    • DOI

      10.1016/j.bmc.2020.115668

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Scattering Form Factor of Block Copolymer Micelles with Corona Chains Discretely Distributed on the Core Surface2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Rintaro、Fujii Shota、Akiba Isamu、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 124 ページ: 6140~6146

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c04120

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Monodisperse Micelles with Aggregation Numbers Related to Platonic Solids2020

    • 著者名/発表者名
      Lee Ji Ha、Fujii Shota、Takahashi Rintaro、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Macromolecular Rapid Communications

      巻: 41 ページ: 2000227~2000227

    • DOI

      10.1002/marc.202000227

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis and characterization of nanoemulsion-mediated core crosslinked nanoparticles, and in vivo pharmacokinetics depending on the structural characteristics2020

    • 著者名/発表者名
      Matsuno Jun、Kanamaru Takuma、Arai Koichi、Tanaka Rena、Lee Ji Ha、Takahashi Rintaro、Sakurai Kazuo、Fujii Shota
    • 雑誌名

      Journal of Controlled Release

      巻: 324 ページ: 405~412

    • DOI

      10.1016/j.jconrel.2020.05.035

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Polymorphism of Resorcinarene Assemblies2020

    • 著者名/発表者名
      Fujii Shota、Miyake Rika、Campo Liliana de、Lee Ji Ha、Takahashi Rintaro、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 36 ページ: 6222~6227

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c00861

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bundling Process of Citrulline Polypeptides upon UCST-Type Phase Separation2020

    • 著者名/発表者名
      Fujii Shota、Kuroyanagi Sotaro、Shimada Naohiko、Matsuno Jun、Lee Ji Ha、Takahashi Rintaro、Maruyama Atsushi、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 124 ページ: 4036~4043

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c00934

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Furry nanoparticles: synthesis and characterization of nanoemulsion-mediated core crosslinked nanoparticles and their robust stability in vivo2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Rena、Arai Koichi、Matsuno Jun、Soejima Miyo、Lee Ji Ha、Takahashi Rintaro、Sakurai Kazuo、Fujii Shota
    • 雑誌名

      Polymer Chemistry

      巻: 11 ページ: 4408~4416

    • DOI

      10.1039/D0PY00610F

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced Binding Constant of Cyclodextrin to Alpha-mangostin in Hyperbranched Polymers2020

    • 著者名/発表者名
      Van Doan Thi Hong、Anh Doan Thi Ngoc、Fujii Shota、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 49 ページ: 1144~1146

    • DOI

      10.1246/cl.200210

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polymersome formation induced by encapsulation of water-insoluble molecules within ABC triblock terpolymers2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Rintaro、Miwa Shotaro、Rossel Carsten、Fujii Shota、Lee Ji Ha、Schacher Felix H.、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Polymer Chemistry

      巻: 11 ページ: 3446~3452

    • DOI

      10.1039/D0PY00426J

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Synthesis and Dilute Solution Properties of <i>N</i>-(2-Hydroxypropyl) methacrylamide-Based Copolymers2020

    • 著者名/発表者名
      Doi Kiyomasa、Takahashi Rintaro、Fujii Shota、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Journal of Fiber Science and Technology

      巻: 76 ページ: 305~309

    • DOI

      10.2115/fiberst.2020-0033

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Flower Necklaces of Controllable Length Formed From N-(2-Hydroxypropyl) Methacrylamide-Based Amphiphilic Statistical Copolymers2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Rintaro、Doi Kiyomasa、Fujii Shota、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 36 ページ: 11556~11563

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c02032

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characterizing an siRNA-Containing Lipid-Nanoparticle Prepared by a Microfluidic Reactor: Small-Angle X-ray Scattering and Cryotransmission Electron Microscopic Studies2020

    • 著者名/発表者名
      Aburai Kenichi、Hatanaka Kentaro、Takano Shin、Fujii Shota、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 36 ページ: 12545~12554

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c01079

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Oligo-DNA Stoichiometrically Binds β-1,3-Glucan with the Best Fit Length2020

    • 著者名/発表者名
      Sumiya Kazuki、Matsunaga Takuya、Tanaka Motoko、Mochizuki Shinichi、Sakurai Kazuo
    • 雑誌名

      Biomacromolecules

      巻: 21 ページ: 4823~4834

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.0c01038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Overcoming the Necessity of a Lateral Aggregation in the Formation of Supramolecular Polymer Bottlebrushes in Water2020

    • 著者名/発表者名
      Klein Tobias、Ulrich Hans F.、Gruschwitz Franka V.、Kuchenbrod Maren T.、Takahashi Rintaro、Hoeppener Stephanie、Nischang Ivo、Sakurai Kazuo、Brendel Johannes C.
    • 雑誌名

      Macromolecular Rapid Communications

      巻: 42 ページ: 2000585~2000585

    • DOI

      10.1002/marc.202000585

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 多糖核酸複合体を用いた核酸医薬のDDS2021

    • 著者名/発表者名
      櫻井 和朗
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノメディシンのレギュラトリーサイエンスにおける散乱法と電子顕微鏡の補完的役割2020

    • 著者名/発表者名
      櫻井 和朗
    • 学会等名
      ソフトマテリアル研究拠点キックオフ・セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 多糖拡散複合体を用いた核酸医薬の免疫系細胞への選択的デリバリー2020

    • 著者名/発表者名
      櫻井 和朗
    • 学会等名
      第36回日本DDS学会学術集会
    • 招待講演
  • [学会発表] 多糖核酸複合体を用いた核酸医薬の免疫系細胞への選択的デリバリー2020

    • 著者名/発表者名
      櫻井 和朗
    • 学会等名
      令和2年度 岐阜大学 赤尾研究室セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] Characterizing Self-Assembled Nanoparticles of Drug Delivery by use of Solution Scattering Techniques2020

    • 著者名/発表者名
      Kazuo Sakurai
    • 学会等名
      高分子学会 関東支部企画 GPS-K2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] レギュラトリーサイエンスから見た溶液中のナノ粒子の特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      櫻井 和朗
    • 学会等名
      フロンティアソフトマター開発専用ビームライン産学連合体(FSBL)第10回研究発表会
    • 招待講演
  • [備考] 櫻井・望月研究室

    • URL

      http://www.sakurai-lab.jp/index.php/member/

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公開日: 2021-12-27  

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