公募班［後期］A02：動的秩序の創生
新井 亮一
| 信州大学 繊維学部 応用生物科学科 准教授 博士（工学） |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 人工蛋白質ナノブロック自己組織化超分子複合体の構造機能解析と動的秩序系設計構築 | |
| 研究目的 | 生命活動は、自己組織化能力をもつ様々な生体分子の複合体によって営まれている。特にタンパク質は、複雑で洗練されたナノスケールの複合体構造や動的秩序系を形成することで高度な機能を発揮する最も重要な機能性生体高分子である。これらのタンパク質複合体を合理的にデザインし、動的秩序系を自在に創生できるようになれば、医薬品開発やナノテクノロジー、合成生物学等、様々な分野の基礎及び応用研究の発展に大きく貢献できると考えられる。我々は、最近、独自のヌンチャク型二量体形成人工蛋白質を利用した “蛋白質ナノブロック(Protein Nano-building Block: PN-Block)”を設計開発し、自己組織化により樽型（ラグビーボール型）6量体構造や正四面体型（テトラポッド型）12量体構造等の6の倍数量体からなる複数種の人工蛋白質超分子複合体の創出に成功してきた(Kobayashi, N. et al., 2015, J. Am. Chem. Soc. 137, 11285-11293) （信州大学プレスリリース参照）。 そこで、本研究では、これらの人工蛋白質ナノブロックによる自己組織化超分子複合体の詳細な構造機能解析と動的秩序システムの設計・構築を目的とする。まず、これらの人工蛋白質複合体について、Ｘ線結晶構造解析等による立体構造解析をはじめ各種構造機能解析を行う。また、人工蛋白質複合体の構造機能を特異的に構築するために、蛋白質工学及び計算科学を駆使した動的秩序系の設計開発にも取り組む。 |
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飯野 亮太
| 自然科学研究機構・岡崎統合バイオサイエンスセンター 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 糖質加水分解サイボーグリニア分子モーターの創生 | |
| 研究目的 | 本研究では、異種分子間のドメイン交換や融合、およびDNA等の異種生体分子とのハイブリッド化を用いた創生により、野生型にない機能を発揮する非天然型分子を創生する。特に、結晶性セルロース、キチンに野生型よりも速く結合し高い反応連続性（プロセシビティ）を示すセルラーゼ、キチナーゼを創生する。また、方向性の異なる２種の分子を融合し、１分子でシナジー効果を示すサイボーグキチナーゼを創生する。さらに、結晶性多糖鎖を内部から分解するエンド型と融合し、自身で末端を生成させかつその末端を捉えて連続的に分解するサイボーグセルラーゼを創生する。創生した分子は高分解能１分子計測による運動解析、およびX 線結晶構造解析により多角的に評価し、作動機構の詳細を明らかにする。 | |
井上 将彦
| 富山大学 大学院医学薬学研究部（薬学） 教授 工学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 人工的なDNA類似体を基質とする核酸関連酵素反応の解析とその化学的深化 | |
| 連携研究者 | 阿部肇 富山大学 大学院医学薬学研究部（薬学） 准教授 博士（理学） |
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| 千葉順哉 富山大学 大学院医学薬学研究部（薬学） 助教 博士（理学） |
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| 研究目的 | 人工的に創成した第３の核酸塩基対（人工塩基対）を加えて、生命の遺伝文字を増やす研究が近年急速に進展している。そして昨年、人工塩基対を複製して世代継承できる細菌も作られるようになった。しかしながら基本的に人工塩基対の導入は全DNA配列中の１カ所であり、多くてもせいぜい数カ所に限られている。そこで本研究では、申請者が得意とする精密有機合成を武器に、DNA類似体の化学構造を徹底的に改変し、いくつかの核酸関連酵素に対して人工骨格の酵素適合性を向上させる。そして、キメラDNA中の人工骨格の数を徐々に増加させて、DNAの非天然性と酵素反応効率の関係を詳細に検討する。申請者が開発してきたDNA類似体を用いてこそ目指せる取り組みであり、このようなDNA類似体と核酸関連タンパク質が織りなす複合体形成・酵素反応・解離における動的挙動の詳細な解析を通じて、生命現象の根幹をなすDNAが関わる秩序形成について分子科学的に考察・議論ができると考えられる。 | |
上野 隆史
| 東京工業大学 生命理工学院 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | T4ファージ由来蛋白質針による生体膜透過の動的秩序機構 | |
| 連携研究者 | 内橋貴之 金沢大学数物科学系 教授 博士（工学） |
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| 古田忠臣 東京工業大学 生命理工学院 助教 博士（理学） |
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| 川野竜司 東京農工大学 工学研究科 准教授 博士（工学） |
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| 研究目的 | 近年、多くのファージや、分泌系では、効率的な膜輸送反応に針状蛋白質を利用していることが明らかとなり、その応用利用が注目されている。そこで、本研究では、バクテリオファージT4の部品蛋白質から合成した蛋白質針の自発的な細胞膜透過能に着目し、そのメカニズムの解明を目指す。具体的には、H26-H27年度新学術領域研究「動的秩序」「人工分子針の細胞膜貫通制御」により見出した蛋白質針の細胞膜透過をもとに、領域内共同研究を積極的に活用し、(1) 高速原子間力顕微鏡(AFM)による人工蛋白質針の脂質二分子膜透過の直接観察、(2) 液滴接触型脂質二分子膜を用いた膜透過駆動力の解明、(3) 分子動力学 (MD)計算による膜透過機構の物理化学的理解を推進する。この連携体制によって、ウイルス感染プロセスにおける蛋白質針透過の動的秩序を明らかとする。 | |
大谷 亮
| 熊本大学・大学院先端科学研究部 助教 博士（工学） |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 配位結合を利用した脂質膜上での動的秩序形成と機能発現 | |
| 連携研究者 | 速水 真也 熊本大学大学院先端科学研究部 教授 博士（理学） |
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| 研究目的 | 流動的な脂質二分子膜上において “配位結合” を駆動力とした制御可能で機能化された秩序の構築、すなわち人工の機能性配位高分子ラフトドメインを合成する。 まず、二次元平面方向に配位ネットワークを広げることのできる錯体脂質を合成し、構造・電気化学特性といった基礎物性の評価を行う。次に、基盤となる生体脂質との複合化リポソームを合成し、更には配位高分子へと拡張することで、脂質二分子膜上で形成されるドメイン形態やサイズ、および電気化学的機能について検討する。アルキル長鎖の長さや濃度など種々の条件の下で系統的かつ総合的に解釈することで、“脂質二分子膜上での配位高分子化学” を展開する。 |
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片山 勉
| 九州大学大学院・薬学研究院・分子生物薬学分野 教授 理学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 複製開始蛋白質DnaAに対する制御系の自律的連動システムの創生と動態原理の解析 | |
| 連携研究者 | 加生和寿 九州大学大学院・薬学研究院・分子生物薬学分野 助教 博士（薬学） |
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| 川上広宣 九州大学大学院・薬学研究院・分子生物薬学分野 助教 博士（薬学） |
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| 研究目的 | 染色体DNA複製の開始反応の制御においては、多因子からなる複数の高次複合体が連係して秩序だって機能する。真正細菌では複製開始蛋白質DnaAがその制御の要となる。私たちは、大腸菌の染色体DNAの複製系とその制御系について、多数のin vitro再構成系を独自に構築して、その主要分子機構の解明に成功してきた。すなわち、それらは染色体複製起点oriCからのDNA複製系、適時的にDnaAを不活性型に変換する負の制御系、および、不活性型DnaAを適時的に再活性化する正の制御系などである。本研究はこれまで解析してきたこれらのin vitro再構成系を活用して、複数の制御系が連動して自律的に機能する、新たな動的秩序系を構築し、その分子動態を解析することを目的とする。細胞内では実際にこのような複数の制御系の連動システムが機能しているのであり、これを支える合理的な動態原理を解明することには重要な意義がある。 | |
神谷 由紀子
| 名古屋大学・工学研究科 准教授 博士(薬学) |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 人工核酸により発動する細胞様機能の構築 | |
| 研究目的 | 糖鎖、タンパク質、核酸といった生体高分子は相互作用のOn-Off、大規模な重合・離散の繰り返しによって高次な生命現象を生みだしている。分子の相互作用が特定の生命現象を生み出すメカニズムを明らかにする手法として、生命現象を再現するような人工システムを構築することが挙げられる。本研究では分子の秩序だった集合・離散が細胞運動や輸送小胞の出芽・融合などのマクロな事象を生み出す仕組みに着目し、自己組織化能を持つDNAを利用して再構築することを試みる。また、DNAは化学修飾が容易であることも特長であることから、分子の相互作用や集合・離散を天然とは異なるシステムで制御するためのツール開発も行う。これらの研究を通じて、生命分子の秩序形成における設計原理・作動原理の理解が進むものと期待される。 | |
杉安 和憲
| 物質・材料研究機構 分子機能化学グループ 主任研究員 博士（工学） |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 分化する超分子集合体：エネルギーランドスケープに基づく高次構造と機能の制御 | |
| 研究目的 | 申請者らは、本新学術領域の26〜27年度公募研究を実施する中で、超分子集合体の形態転移における「分化現象」を発見した。これは、幹細胞が状況に応じて様々な種類の細胞へと分化するプロセスと類似しており、本新学術領域が着目する「内的複雑性」「ダイナミックな離合集散」「自律的な時間発展」を示す人工超分子システムである。本研究は、この複雑な現象を分子論的に理解し、超分子集合体の高次構造や機能を時間軸上で制御することを目的とする。生命分子システムの特質を具現化した人工分子システムを構築し、「動的秩序形成と高次機能発現」という本新学術領域が掲げる大目標の実現に貢献する。 | |
鈴木 大介
| 信州大学学術研究院(繊維学系) 信州大学国際ファイバー工学研究所(兼任) 准教授 博士(工学) |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 高分子コロイド分散系における動的秩序の発展 | |
| 研究目的 | 前回の公募研究に引き続き、申請者らが開発した時間周期的にサイズ・粒子間相互作用を変化させる機能を有する高分子微粒子分散系を更に発展させ、動的に人工的な分散微粒子が会合・解離し、高次空間構造を形成する動的秩序系を構築する。顕微鏡で単体の直接観察が可能である利点を活かし、各種顕微鏡法・散乱法を駆使することで、時間発展に伴い構築される高次元空間構造に対し、高分子微粒子単体の構造が如何に影響を与えるのかを体系化する。そして、本研究における人工システムと生命分子システムに見られる動的秩序形成との類似性検討を行い、生命分子システムにおける動的秩序の分子機構の理解の一助とする。 | |
二木 史朗
| 京都大学化学研究所 教授 薬学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 生体膜における曲率形成と膜の形態変化を誘導・制御するペプチドツール | |
| 連携研究者 | 河野健一 京都大学化学研究所 助教 博士（薬学） |
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| 研究目的 | 近年、種々のタンパク質・ペプチドに生体膜に曲率(curvature)を誘導する機能が備わっていることが明らかとなってきた。このようなタンパク質・ペプチドの曲率誘導原理を理解できれば、細胞の営みの本質の一端に迫れるのみならず、これらの原理を活かした機能性ペプチドの創出により、種々の細胞現象を調節・制御できる新しい方法論の開発が期待できる。本研究では、これを念頭に、細胞内輸送小胞形成に関わるエプシン由来のヘリックスペプチドをリードペプチドとして、(I) 曲率を強めるヘリックス構造要因、(II) 多量体化による局所相互作用の強化と曲率誘導活性増強、(III) 膜アンカーユニットの付加による膜相互作用向上と曲率誘導活性増強、(IV) 曲率誘導の細胞への作用評価等に関して検討を進める。 | |
松浦 友亮
| 大阪大学・工学研究科生命先端工学専攻 生物工学コース 准教授 工学博士 |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | リポソーム内膜タンパク質発現系の発現ダイナミクス制御技術の確立と応用 | |
| 研究目的 | 生物の動作原理を理解する一つの方法として、生命システムを構成要素（生体分子）から再構成するアプローチがある。我々は、細胞サイズのリポソーム内で再構成型無細胞翻訳系PURE systemを用いて膜タンパク質を合成する技術を確立してきた。Liposome displayと名付けたこの技術は、膜タンパク質の進化分子工学だけでなく、細胞環境に近い反応場での膜タンパク質の機能解析を可能とする。しかし現行法は、複数種の膜タンパク質を発現させることは可能だが、各タンパク質の発現のタイミングを制御できない。生体膜上での高次の生命現象の多くは、発現のダイナミクスが制御された複数種の膜タンパク質が協同的に働くことで進行する。そこで本研究では、Liposome display法と光照射によるタンパク質発現制御技術を組み合わせ、リポソーム内膜タンパク質合成反応における発現ダイナミクスの光制御技術を確立し、これを膜タンパク質輸送装置（トランスロコン）の機能解析に利用する。 | |
三宅 弘之
| 大阪市立大学 大学院理学研究科 物質分子系専攻 准教授 博士（理学） |
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| 領域での役割 | A02 公募研究代表者 | |
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| 研究課題 | 動的ペプチド金属錯体からなる超分子集合体の秩序創生と動的変換プログラミング | |
| 研究目的 | 本研究では、複数の外部シグナルに応答する動的構造変換型キラル金属錯体を活用して、超分子レベルでの動的金属錯体の集積化と、生体分子の集積挙動制御を目的とする。配位金属錯体は、特異な立体化学の創生と動的な配位子交換特性をもち、それらを精密に組み合わせると、空間と時間の同時プログラミングが可能である。我々はキラルな単核コバルト(II)錯体の外部刺激による瞬時なヘリシティー反転や、ペプチドらせんの反転制御、さらにはキラル錯体の伸縮－らせん反転多重スイッチングなど、キラル金属錯体の多段階秩序創生とタイムプログラミングを実現してきた。しかし、それらは十ナノメートル前後の動的挙動であり、生体系で見られるような高次機能の発現には集積化に着目する必要がある。一方で、生体系で集積化するペプチドが多く知られており、それらの機構解明と挙動制御が急がれている。それら集積化ペプチドに金属錯体の動的な構造変換要素を付与することによる集積挙動の制御を行う。 | |
