DNAオリガミによる人工細胞微小カプセルの開発に成功

ad
ad

機能をプログラム可能な分子ロボットの開発に期待

2019-09-24 京都大学

遠藤政幸 理学研究科准教授、瀧ノ上正浩 東京工業大学准教授、石川大輔 同研究員(現・首都大学東京)、鈴木勇輝 東北大学助教、川野竜司 東京農工大学准教授、柳澤実穂 東京大学准教授らの研究グループは、DNAオリガミで作製したDNAナノプレートによって細胞膜を模倣した、人工細胞(微小カプセル)の開発に世界で初めて成功しました。
人工的な膜に細胞膜のような複雑な機能を持たせるには、性質や機能を自在に設計可能な物質を材料とする必要がありました。本研究で開発した、DNAを膜の材料とする微小カプセルでは、DNAの塩基配列を設計することで膜の機能を自在に設計でき、「プログラム」した機能をコンピュータソフトウェアのようにインストールできます。
本技術は、分子コンピュータや分子センサーを搭載した分子ロボットや、薬剤送達等への応用が期待されます。
本研究成果は、2019年9月13日に、国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版に掲載されました。

図:DNAオリガミによる人工細胞微小カプセルのイメージ

詳しい研究内容について

DNA オリガミによる人工細胞微小カプセルの開発に成功
-機能をプログラム可能な分子ロボットの開発に期待-

【要点】
○DNA オリガミによるナノプレートで細胞膜を模倣した、人工細胞としての微 小カプセルを開発
○人工的なイオンチャネルを形成させ、微小カプセル間のイオンの輸送に成功
○分子コンピュータ/分子センサーを搭載した分子ロボットや、人工ニューラ ルネットワーク、高機能薬剤送達などへの応用に期待

【概要】
東京工業大学 情報理工学院の瀧ノ上正浩准教授、石川大輔研究員(現首都大 学東京)、東北大学の鈴木勇輝助教、東京農工大学の川野竜司准教授、東京大学 大学院総合文化研究科の柳澤実穂准教授、京都大学の遠藤政幸准教授らの研究 グループは、DNA オリガミ(用語 1)で作製した DNA ナノプレートによって 細胞膜を模倣した、人工細胞(微小カプセル、図 1)の開発に世界で初めて成 功した。
人工的な膜に細胞膜のような複雑な機能を持たせるには、性質や機能を自在 に設計可能な物質を材料とする必要があった。今回開発した、DNA を膜の材料 とする微小カプセルでは、DNA の塩基配列を設計することで膜の機能を自在 に設計でき、“プログラム”した機能をコンピュータソフトウェアのようにイン ストールできる。この技術は、分子コンピュータ/分子センサーを搭載した分子ロボット(用語 2)や薬剤送達等への応用が期待される。
研究成果は現地時間 9 月 13 日にドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版で公開された。


図 1. DNA オリガミによる人工細胞微小カプセルのイメージ

研究の背景と経緯
細胞のような、分子スケールからマイクロスケールにおよぶ、複雑で高機能な システムを人工的に創ることは、科学技術において究極の目標の一つである。こ れまでにも、細胞膜を模倣した人工的な膜を持つ人工細胞(微小カプセル:用語 3)の構築が試みられているが、細胞膜のような機能のある膜を設計・作製する ことは困難であった。
人工細胞となる微小カプセルの構築には、脂質分子(細胞膜の構成分子)を構 成素材とする人工的な膜で水滴を覆った、油中水滴エマルション(用語 4)や脂 質二重膜小胞(リポソーム)が一般的に用いられる。膜の構成素材としては、脂 質分子以外に、ナノ・マイクロサイズ(用語 5)の微粒子であるコロイド粒子も 利用されており、その場合の油中水滴エマルションは Pickering(ピッカリング) エマルション(用語 6)、小胞はコロイドソームと呼ばれている。コロイド粒子 の膜によるエマルションや小胞には、物理的な安定性があるだけではなく、コロ イド粒子の形状やその表面の改質などにより、さまざまな用途へ利用できると いう利点がある。しかし、プラスチックなどの通常の物質を材料とするコロイド 粒子には、設計性と拡張性の限界が存在する。したがって細胞膜のように、外部 からの分子刺激に応答したり、エネルギー(栄養)となる物質を取り込んだりと いった複雑な機能を人工的な膜に持たせるには、性質や機能を自在に設計可能 な物質を材料とするコロイド粒子を用いる必要があった。

研究成果
研究グループは、生体高分子であるDNAを素材とするDNAオリガミにより、 両親媒性(用語 7)の DNA ナノ構造体(DNA ナノプレート)を設計・作製した。 この DNA ナノプレートを一種のナノサイズのコロイド粒子として用いて、油中 水滴を覆う膜を形成させ、微小なカプセルを実現した(図 2)。さらに、DNA ナ ノプレートにナノサイズの孔を開けることで、微小カプセル間でイオンを輸送 可能にし、細胞膜のイオンチャネルのような機能を実現することに成功した。
DNA は本来、親水性の物質であるため、油中水滴エマルションを作るのに必 要とされる、界面活性剤のような両親媒性を持たない。そこで研究グループは、 DNA オリガミで作製した DNA ナノプレートの片面だけに疎水性の有機分子(コ レステロール基)を取り付けることで、疎水性と親水性の両方を持つ両親媒性の DNA ナノプレートを得ることに成功した。この両親媒性 DNA ナノプレートを 用いて油中水滴エマルションを作製したところ、DNA ナノプレートは油水界面 に集積することがわかった(図 3)。さらに、界面に集積した DNA ナノプレート は、脂質分子のように流動的に動くのではなく、積層した非流動的なコロイド粒 子のようにふるまうことが明らかになった。
また、一般的には細胞膜の膜タンパク質を介して行われるイオンチャネル機 能を、両親媒性 DNA ナノプレートで安定化された微小カプセルへ実装すること を試みた。DNA ナノプレートにナノサイズの孔を構築し、2 つの微小カプセル 同士を接触させたところ、イオンの輸送による微小電流が測定された(図 4)。 さらに測定された電流値から、形成したナノチャネルの大きさを算出するため、 数値シミュレーションも行った。これらの結果から、DNA ナノプレートが十数 層重なることにより、イオンを輸送するチャネルが形成されているということ がわかった。
このように、細胞膜を模倣した微小カプセルの膜の素材に、性質や機能を自 在に設計可能な DNA を用いることで、油中水滴を安定に保つ界面活性剤のよ うな機能と、イオンチャネル機能を同時に発現できる DNA ナノプレートを設 計し、細胞のようなイオンの輸送を実現した。これは、微小カプセルの構築に 従来用いられてきた脂質分子や固体粒子の設計性と拡張性の限界を超え、膜の 性質と機能を分子レベルから自在に設計できることを示す成果であり、細胞の ような複雑な機能を人工的に創り出すために重要な方法論となる。

タイトルとURLをコピーしました