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光から逃げる方向に运动する「负の走光性」を有する人工システムの构筑に成功：ファイバー形成を駆动力とした初めての走光性分子システム

 

ポイント

?光刺激によるペプチドナノファイバー形成を駆动力として、マイクロメートルサイズのDNA球状集合体（ヌクレオスフェア）の运动推进に成功した。

?ヌクレオスフェアは光から逃げる方向に运动する「负の走光性」を有することが明らかとなった。

?ペプチドナノファイバー形成を駆动力とした运动システムに走光性を付与した初めての例であり、生物の运动システムの解明や分子输送システムへの応用が期待される。

 

概要

　鸟取大学学术研究院工学系部门の稲叶央准教授、松浦和则教授らの研究グループは、光刺激によるペプチドナノファイバー形成を駆动力として、マイクロメートルサイズのDNA球状集合体（ヌクレオスフェア）^*1の运动推进と运动方向制御に成功しました（図1）。天然には、緑藻类のクラミドモナスに见られるような光の方向に応じて运动方向が変わる「走光性」^*2を有する生物が存在します。走光性を有する人工分子システムの开発が世界中で行われていますが、その运动を诱起する方法は限られたものでした。本研究では、独自に开発した光刺激によるペプチドナノファイバー形成を駆动力とした运动システムを利用することで、ヌクレオスフェアに光照射方向から逃げる「负の走光性」を付与することに成功しました。本成果により、生物の运动システムの理解や、新たな人工分子输送システムとしての応用が期待されます。

　本研究成果は、公益财団法人加藤记念バイオサイエンス振兴财団および文部科学省科研费学术変革领域研究(A)「分子サイバネティクス」の支援により得られたもので、2021年4月22日にアメリカ化学会が発行する「ACS Applied Bio Materials」のオンライン版に掲载され、Supplementary Coverに选出されました。

図1. 本研究の概念図。(a) 自己集合ペプチドとDNAを光解離部位で連結したコンジュゲート3。UV光照射によりペプチドが遊離し、自己集合によりナノファイバーを形成する。(b) コンジュゲート3を修饰したDNA球状集合体（ヌクレオスフェア）に光照射を行うと、光照射面で光解離反応が起き、局所的なペプチドナノファイバー成長が駆動力となり光から逃げる方向への運動が推進される。

 

研究背景

　生物の中には光の方向に応じて运动方向が変わるものが存在し、例えば緑藻类のクラミドモナスは状况に応じて光に近付く「正の走光性」と光から远ざかる「负の走光性」を使い分けています（図2）。このような走光性を有する人工分子システムが开発できれば、局所的な分子输送や、分子ロボットの基盘技术としての応用が期待できます。我々はこれまでに、アクチンフィラメント形成を駆动力として运动する赤痢菌やリステリアから着想を得て、光照射によってジャイアントリポソーム^*3上でペプチドナノファイバー形成を诱起することで、その并进运动推进に成功しています（Sci. Rep., 2018, 8, 6243）。しかし、その运动方向は光照射方向に関わらずランダムであり、走光性は见られませんでした。その理由として、リポソームは中空构造であるため、光が透过して光照射方向とは関係なくランダムにナノファイバー形成したためだと考えられます。そこで、内部までDNAが詰まったヌクレオスフェアを新たな「车体」として用いることで、光照射面でのみペプチドナノファイバー形成を诱起し、走光性を付与できると考えました。

図2. クラミドモナスの走光性

 

研究内容

　まず、DNAと自己集合部位であるβシート形成ペプチドを光解离性アミノ酸で连结したペプチド－DNAコンジュゲートを作製しました。このコンジュゲートにUV光（365 nm）を照射すると、ペプチド部位が脱离し、自己集合してナノファイバーを形成します。本研究では、これまでに开発したコンジュゲート1および2を改良し、均一なナノファイバーを速く形成するコンジュゲート3を用いました（図1a）。ヌクレオスフェア（NS）表面にコンジュゲート3を修饰した3-NSを调製し、光学顕微镜による観察を行いました（図1b）。観察时に右侧からUV光を照射したところ、光から逃げる方向に运动する负の走光性が见られました（図3a）。一方で光照射を行わない场合や、コンジュゲート3の代わりにDNA（dA₂₀）のみを修饰したdA₂₀-NSに光照射を行なった场合は、そのような方向性のある运动は确认されませんでした。また、その运动速度はコンジュゲート3の浓度に依存して増大することがわかりました（図3b）。したがって、コンジュゲート3を修饰することで、光照射によりヌクレオスフェア上でナノファイバー形成が诱起され、运动が推进されたと考えられます。実际に、3-NSに光照射を行うとその表面で非対称的にナノファイバーの集合体の形成が确认されました（図4）。以上より、ヌクレオスフェアを用いることで、光照射による非対称的なナノファイバー形成を駆动力とした负の走光性を有する人工分子システムの开発に成功しました。

 

図3. (a) コンジュゲート3修饰ヌクレオスフェア（3-NS）の运动の轨跡。13分间で初期位置からどのように移动したか示している。各色が别々の3-NSを示す。(b) ヌクレオスフェアの初期位置からの移动距离の时间変化。3-NSは光照射により运动が推进されていることがわかる。

 

図4. 光照射前后の3-NSの共焦点レーザー蛍光顕微镜像。ヌクレオスフェアをDNA染色剤（シアン）で染色しており、コンジュゲート3には蛍光色素（赤）を连结してある。光照射により、ヌクレオスフェア表面にナノファイバーの集合体と思われる构造体が确认された。

 

用语解説

叁つの自己相补性末端を有する叁叉路DNAからなるマイクロメートル（0.001ミリメートル）サイズの球状构造体（K. Matsuura, Biomacromolecules, 2007, 8, 2726）。叁种类のDNAを混合し、加热、徐冷することで自発的に内部がDNAで詰まった中実の球状集合体を形成する。

 

*2 走光性

走性の一つであり、光刺激に応じて运动することを示す。光の方向に近づく运动を「正の走光性」、光から离れる运动を「负の走光性」という。蛾やハエなどは正の走光性を有し、ミミズやゴキブリなどは负の走光性を有する。クラミドモナスは正の走光性、负の走光性を併せ持ち、状况に応じて使い分けている。

 

*3 ジャイアントリポソーム

リン脂质などから构成される、脂质二分子膜を持つ1~100 μm程度の球状小胞を指す。この研究では10~20 μm程度のジャイアントリポソームを用いた。中空构造であるため、光は透过すると考えられる。

 

论文情报

着者名：Hiroshi Inaba,* Kenji Hatta, Kazunori Matsuura*

掲载誌：ACS Applied Bio Materials

DOI: 10.1021/acsabm.1c00146