光で結合・解離をスイッチできる 小分子とタンパク質のペアをゼロから創る新手法 ―光による細胞機能操作や医療応用に新たな可能性―

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2026-04-24 名古屋工業大学,名古屋大学,東京大学

名古屋工業大学・名古屋大学・東京大学の研究グループは、光で結合・解離を制御できる小分子とタンパク質のペアをゼロから設計する新手法を開発した。光で構造が変化する光スイッチ分子を設計し、その特定の構造にのみ結合する人工タンパク質を進化分子工学で創出。青色光で結合、紫色光で解離する可逆制御を実現した。さらに動物細胞で、情報伝達や遺伝子発現、細胞運動、分化など多様な機能を光で操作できることを実証した。従来の天然タンパク質依存の光操作技術の制約を超え、設計自由度の高い新しい光制御基盤を提示し、生命科学研究や医療応用の発展に寄与すると期待される。

光で結合・解離をスイッチできる 小分子とタンパク質のペアをゼロから創る新手法 ―光による細胞機能操作や医療応用に新たな可能性―
本研究の概念図

<関連情報>

光応答性分子の合理的設計とそれらの人工タンパク質結合ペアの選択による、新規化学光遺伝学 De novo chemo-optogenetics through the rational design of photoresponsive molecules and selection of their artificial protein binding pairs

Tomoki Miyazaki,Tomoshige Fujino,Tatsuyuki Yoshii,Haruto Kosugi,Mamoru Funane,Naoya Murata,Kim Chung Nguyen,Satoru Nagatoishi,Kouhei Tsumoto,Gosuke Hayashi,Hiroshi Murakami & Shinya Tsukiji
Nature Chemistry  Published:23 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-026-02121-w

Abstract

Optical manipulation of proteins is central to probing and engineering cellular functions. However, existing optogenetic tools based on natural photoreceptors and chemo-optogenetic tools based on natural protein–ligand pairs are difficult to reconfigure for the desired photochemical and binding properties. Here we introduce a de novo approach for creating chemo-optogenetic tools. Instead of modifying pre-existing ligands, we first design a synthetic photoswitch with defined properties and then use mRNA display to select for artificial protein binders that recognize a specific photoisomer-dependent conformation. This bottom-up framework yields artificial photoswitch–protein binder pairs that enable precise optical control of diverse biological activities in mammalian cells, such as kinase and lipid signalling, G-protein-coupled receptor activation, gene expression and cell differentiation. The regulatory mode (sustained, reversible or repeatable) is readily programmed by adjusting light inputs. This de novo approach provides customizable synthetic photoswitch–protein binder pairs, expanding opportunities for optical protein manipulation in biological and biomedical applications.

細胞遺伝子工学
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