研究組織:エネルギー利用過程研究部門

生物機能化学研究分野

エネルギー利用過程研究部門 生物機能化学研究分野
教授:森井 孝 准教授:中田 栄司 助教:仲野 瞬
タンパク質やRNA に狙った機能を発揮させるにはどのように設計すればよいか、そして「細胞の中」で機能しているタンパク質やRNA の精緻な組織体を、どのようにして機能を保ったまま「細胞の外」で構築するかを研究しています。これらの研究を通じて、人工光合成や人工代謝系のようなクリーンで高効率なエネルギーの生産や利用ができるタンパク質・RNA 組織体の構築を目指しています。

高効率なエネルギー利用を可能にするタンパク質やRNA のテーラーメイド設計原理を確立する

生物は、太陽光エネルギーを利用した植物の光合成で生産される化学エネルギーを、タンパク質・核酸・酵素などの生体高分子が利用して、生命活動を維持しています。これらの生体高分子やその複合体は、常温・常圧・水の中という温和な条件で、物質変換・運動・センシングをはじめとする機能を発揮して、高効率に化学エネルギーを利用しています。「分子認識」、「触媒」、「ナノ構造形成」、「太陽光エネルギー変換」などの、生物のエネルギー利用原理をささえる機能を発揮する生体高分子を、細胞の外でも使えるように新たに創り出すことで、有効に化学エネルギーを活用するためのクリーンで高効率なエネルギー利用システムが実現するはずです。最小限の大きさのタンパク質(ミニチュアタンパク質)やミニチュアタンパク質とRNA の複合体、そしてナノメートルの精度で配置されたタンパク質やRNA の組織体を、目的とする機能を発揮するように設計・構築して、生物に匹敵するエネルギー利用機能を発揮する方法論の確立を目指しています。

人工光合成の実現に向けたタンパク質・酵素ナノ構造体による分子コンビナートの開発

細胞内では、タンパク質やRNA などの生体高分子がナノスケールの空間中で特徴的な組織体を形成して、物質変換やシグナル伝達などの機能を発揮しています。DNA ナノ構造体を足場として利用して、複数のタンパク質、酵素、RNA などを1分子ずつ狙った場所に配置した「分子スイッチボード」によって、多段階の化学反応が細胞内の代謝反応のように高効率に進行する「分子コンビナート」を構築しています。この技術をもとにして、細胞の外での人工代謝システムや人工光合成システムの実現を目指しています。

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機能性RNA‒ ペプチド複合体の開発

ペプチドとRNA の複合体であるリボヌクレオペプチド(RNP)に、三次元構造をもとにした分子設計と進化工学手法を適用することで、標的とする分子に対するRNP リセプターが構築できます。さらに、RNP リセプターには新たな機能を付与する事が可能です。この段階的なRNP 機能化法によって、標的分子に狙った波長で応答する蛍光センサーや人工酵素を作製します。

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リセプタータンパク質を用いた細胞内蛍光センサーの創製

天然のリセプタータンパク質を基本骨格として用いて、合成化学的または遺伝子工学的手法によって構築した、細胞内シグナル伝達分子に対する蛍光センサーによって、細胞内シグナル伝達システムを可視化し、シグナル伝達機能の理解を進めます。

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エネルギー利用過程研究部門

講師:Arivazhagan Rajendran
DNA ナノ構造体を利用して、連続的な酵素反応を効率的に進行させる酵素組織体を構築することにより、高効率なエネルギー変換反応を開拓します。

DNA ナノテクノロジーによる高効率なエネルギー変換の実現

DNA は単に遺伝情報を伝達するためだけではなく、ナノ材料の素材としても大変魅力のある分子です。DNA が持つ高い分子認識能と自己集合能を利用してボトムアップ的手法により構築できるDNA ナノ構造体は、ナノメートルの精度で形態を制御できることから非常に注目されています。私はこれまでにDNA オリガミ法により構築したDNA ナノ構造体を更に自己組織化させることで、マイクロメートルサイズの構造体を構築し、様々な生体分子の機能を評価するために利用してきました。現在は、DNA オリガミを足場として利用して複数の酵素を配置することにより、連続する酵素反応の効率を高めることで高効率なエネルギー変換システムの構築を目指し、研究を進めています。

DNA オリガミ法を用いて構築されたDNA ナノ構造体

DNA ナノ構造体上にそれぞれ「D」、「N」、「A」と表記された原子間力顕微鏡(AFM)画像 画像サイズ:200 × 200 nm

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