外部刺激応答性DNAナノ構造体による分子デリバリーシステムの構築

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26620133
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 遠藤 政幸 京都大学, 物質―細胞統合システム拠点, 特定拠点准教授 (70335389)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: DNAナノテクノロジー / DNAオリガミ / 細胞機能制御 / 光機能性 / ドラッグデリバリー / 原子間力顕微鏡

研究実績の概要

本研究では、DNAによって様々な3次元構造体を設計・機能化し、ナノサイズの機能性DNA構造体を細胞応答へと応用するための基礎技術を作ることを目的とし、高度な機能性を発現できるDNA分子システムの開発を検討した。この機能性DNAナノ構造体は外部からの操作で構造変換を行え、この構造体を使って金粒子の包摂と放出や酵素活性の制御を行う新たな分子システムを開発した。これらの機能化したDNAナノ構造体を細胞内への新規な生体分子のデリバリーに使い、アポトーシス（細胞死）の誘導、遺伝子発現の抑制、免疫増強など細胞応答に応用する。
前年度は２つの四角錐構造からなる1辺50 nmの八面体のDNA構造体を構築し、光応答性DNA鎖を導入し、構造体の開閉を光照射により制御し、金粒子の包摂と放出を行えるシステムを開発した。本年度は、小さなナノ空間（6 x 6 x 20 nm）を持つ四角柱構造体を設計し、酵素反応の制御や小分子のリリースに応用した。この構造体の内部空間には、アポトーシスを誘導するためのプロテアーゼcaspase-3を共有結合によって導入し、構造体を開くことによって基質を取り込み、活性化できる機構を導入してシステムの構築を行った。まずDNA構造体を中央部分で開裂させるため、光照射によって開裂可能なDNA鎖を用いて構造体を作成した。AFMによる観察によって、構造体の作成時の伸長した構造体から紫外光照射後はハの字に開裂し、構造体の形態を変換できることが確認された。次に，内部のナノ空間に酵素を導入して、光開裂可能なDNA鎖を用いて構造体を閉じた。内部に酵素が固定されたことは中央部分の高さの変化によって確認した。作成した酵素が導入された構造体は、閉じた状態から光照射によって開き、反応基質に対してcaspase-3のプロテアーゼ活性の発現が確認された。

研究成果

• [国際共同研究] Kent State University/University of Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Kent State University/University of Florida
• [国際共同研究] The Hebrew University of Jerusalem(Israel)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: The Hebrew University of Jerusalem
• [国際共同研究] Wuhan University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Wuhan University
• [国際共同研究] University of Bordeaux(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Bordeaux
• [雑誌論文] Direct visualization of walking motions of a photo-controlled DNA nanomachine on the DNA nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, M. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama, M. Endo
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 15 ページ: 6672-6676
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02502
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Manipulation of the Duplex Formation and Dissociation at the G-quadruplex/i-motif Site in the DNA Nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, X. Xing, X. Zhou, T. Emura, K. Hidaka, B. Tuesuwan, H. Sugiyama
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 9 ページ: 9922-9929
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b03413
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lipid bilayer-supported two-dimensional self-assembly of DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 ページ: 8052
  • DOI: 10.1038/ncomms9052
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Visualization of the Zn2+-Dependent DNAzyme Functions (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo Y. Takeuchi, Y. Suzuki, T. Emura, K. Hidaka, F. Wang, I. Willner, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 54 ページ: 10550-10554
  • DOI: 10.1002/anie.201504656
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Measuring chloride in live cells (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 10 ページ: 569&-8211
  • DOI: 10.1038/nnano.2015.142
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Linking Two DNA Duplexes with a Rigid Linker for DNA Nanotechnology (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Tashiro, M. Iwamoto, H. Morinaga, T. Emura, K. Hidaka, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 43 ページ: 6692-6700
  • DOI: 10.1093/nar/gkv662
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient amplification of self-gelling polypod-like structured DNA by rolling circle amplification and enzymatic digestion (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yata, Y. Takahashi, K. Hidaka, H. Sugiyama, M. Endo, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 14979
  • DOI: 10.1038/srep14979
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Small molecule binding to G-hairpin and G-triplex: A new insight in anticancer drug design targeting G-rich regions (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, K. Hidaka, M.-P. Teulade-Fichou, J.-L. Mergny, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 51 ページ: 9181-9184
  • DOI: 10.1039/C5CC01678A
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mimicking membrane-related biological events by DNA origami nanotechnology (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 9 ページ: 3418-3420
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b01723
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Studying RNAP–promoter interactions using atomic force microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Methods 巻: 86 ページ: 4-9
  • DOI: 10.1016/j.ymeth.2015.05.018
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Self-assembling DNA dendrimer for effective delivery of immunostimulatory CpG DNA to immune cells (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Mohri, E. Kusuki, S. Ohtsuki, N. Takahashi, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Biomacromolecules 巻: 16 ページ: 1095-1101
  • DOI: 10.1021/bm501731f
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Atomic Force Microscopy Analysis of Orientation and Bending of Oligodeoxynucleotides in Polypod-like Structured DNA (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shiomi, M. Tan, N. Takahashi, M. Endo, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Nano Research 巻: 8 ページ: 3764-3771
  • DOI: 10.​1007/​s12274-015-0875-y
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimal Arrangement of Four Short DNA Strands for Delivery of Immunostimulatory Nucleic Acids to Immune Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Ohtsuki, N. Matsuzaki, K. Mohri, M. Endo, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura, M. Nishikawa
  • 雑誌名: Nucleic Acid Theraputics 巻: 25 ページ: 245-253
  • DOI: 10.1089/nat.2014.0524
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Folding RNA–Protein Complex into Designed Nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibata, Y. Suzuki, H. Sugiyama, M. Endo, H. Saito
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1316 ページ: 169-179
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-2730-2_14
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] High-speed AFM imaging of synthetic molecules and nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: Ten Years of DNA Origami
  • 発表場所: California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Controllable molecular nanosystems using DNA origami nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 2nd SPIRIT international symposium, Light Opening up Frontier of DNA and Nanocrystal Superstructures
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-02-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule nanosystems constructed in the DNA nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: University of Bordeaux-Kyoto University Mini-Symposium on Biomolecular Science
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-01-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule manipulation and visualization of multiple DNA structural changes in the DNA nanostructures using high-speed AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, H. Sugiyama
  • 学会等名: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 発表場所: Honolulu, HI, USA
  • 年月日: 2015-12-19
  • 国際学会
• [学会発表] AFM based imaging of single-molecule motions using DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 1st SPIRIT international symposium, Frontier of DNA and Nanocrystal Superstructure
  • 発表場所: Honolulu, HI, USA
  • 年月日: 2015-12-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule imaging of photoresponsive molecular system constructed in the DNA nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: 601. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, DNA Nanotechnology Meets Plasmonics
  • 発表場所: Physikzentrum, Bad Honnef, Germany
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットの感覚となるDNAレセプターの構築 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第59回人工知能学会 分子生物情報研究会
  • 発表場所: 慶応大学日吉キャンパス、横浜
  • 年月日: 2015-11-14
  • 招待講演
• [学会発表] DNA ナノ構造体上での光駆動型DNA モーターの歩行運動の1 分子観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸、楊 泱泱、Marisa A. Goetzfried、日高 久美、Mingxu You、Weihong Tan、杉山 弘
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会 8.0
  • 発表場所: 大阪大学吹田キャンパス、吹田
  • 年月日: 2015-11-12
• [学会発表] AFM based imaging of single-molecule motions using DNA origami nanostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 2nd Kobe mini-symposium on functionalized organic molecules
  • 発表場所: Kobe University, Kobe
  • 年月日: 2015-11-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットの感覚となるDNAオリガミ構造体と脂質二重膜との相互作用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 情報計算化学生物(CBI)学会2015大会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-10-27
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule observation of a photo-controlled DNA walker on the DNA origami tile (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, M. A. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama , M. Endo
  • 学会等名: The 42nd International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
  • 発表場所: Himeji
  • 年月日: 2015-09-23
  • 国際学会
• [学会発表] 脂質2重膜を利用したDNAナノ構造体の自己集合化とその動的な挙動の観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第64回高分子討論会
  • 発表場所: 東北大学、仙台
  • 年月日: 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質2重膜上でのDNAナノ構造体の自己集合過程の動的な観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸、鈴木 勇輝、杉山 弘
  • 学会等名: 第9回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 熊本大学、熊本
  • 年月日: 2015-09-10
• [学会発表] Direct visualization of a photo-controlled DNA walker on the DNA nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y. Yang, M. Goetzfried, K. Hidaka, M. You, W. Tan, H. Sugiyama
  • 学会等名: The Twentieth International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
  • 発表場所: Harvard University, Cambridge, MA, USA
  • 年月日: 2015-08-17 – 2015-08-22
  • 国際学会
• [学会発表] DNAナノ構造体を使った1分子イメージング法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 第52回薬剤学懇談会研究討論会
  • 発表場所: 加賀
  • 年月日: 2015-07-16
  • 招待講演
• [学会発表] AFM based single-molecule imaging of molecular motions in the DNA origami scaffold (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: The 5th International Conference on Nucleic Acid-Protein Chemical and Structural Biology for Drug Discovery
  • 発表場所: Sichuan University, Chengdu, China
  • 年月日: 2015-05-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direct visualization of the dynamic process of DNA origami assembly on the lipid bilayer surface (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y, Suzuki, H. Sugiyama
  • 学会等名: 12th Conference on the Foundations of Nanoscience 2015
  • 発表場所: Snowbird, UT, USA
  • 年月日: 2015-04-14
  • 国際学会
• [備考] 京都大学物質－細胞統合システム拠点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