日本語 English

Research

研究内容

当研究室では、ペプチドやタンパク質などの生体分子をデザインする技術を基盤として、微小管をはじめとする細胞骨格の構造・機能の制御、細胞機能を操作する技術の創出、動的な機能を有する生体材料の開発に取り組んでいます。ここでは、これまでに報告してきた研究成果の一部をご紹介します。

ナノマテリアルの内包による微小管の構造・機能制御

細胞骨格の一種である微小管は、チューブリンタンパク質からなる一般に内径15 nmのチューブ状構造体です。微小管は、キネシンなどのモータータンパク質と組み合わせることで運動性を示すため、自律的に動く材料であるアクティブマターを構成する部品としても注目されています。これまで微小管外部への機能分子の導入は数多く報告例がありますが、微小管の内部空間は機能化の場として注目されていませんでした。近年、生体内の微小管の内部に結合するタンパク質が相次いで発見され、その生物学的な役割にも注目が集まっています。私たちは、微小管の内部に結合するTau由来ペプチド（TP）を開発し、微小管内部を利用した機能開拓を世界に先駆けて取り組んできました。これまでに、TPを連結することによって、タンパク質、金属ナノ粒子、環状ペプチド、フォトクロミック分子など、様々なナノマテリアルを微小管内部に導入することに成功しています。さらに、内包物に応じて微小管の構造や機能が変化することを見出しました。この技術は微小管内部を新たな機能化空間として利用するものであり、将来的には微小管を用いたナノデバイスや分子ロボットなど、新しい機能性材料への応用が期待されます。

微小管超構造体の人工構築

教科書にあるように、微小管は通常一巻きのチューブ構造を形成します。しかし、生体内には複数の微小管が組み合わさった複雑な「微小管超構造体」が存在します。例えば、繊毛や鞭毛には微小管の外側にもう一本の不完全な微小管が連結したダブレット微小管が存在します。ダブレット微小管は、繊毛や鞭毛が繰り返し運動するために必要な力学的強度を担っていると考えられています。このほかにも、ダブレット微小管から2本のシングレット微小管へと分かれる分岐構造、微小管形成中心から微小管が放射状に伸びるアスター構造、複数の微小管が架橋されたバンドル構造など、多様な超構造体が存在し、それぞれ異なる機能を発揮しています。これら微小管超構造体を人工的に構築することができれば、その形成原理や生体内における機能の理解・制御につながることに加え、材料応用への展開も期待できます。私たちは、TPを遺伝子工学的に四量体タンパク質に融合することで、ダブレット微小管をはじめとする多様な微小管超構造体を人工的に構築することに世界ではじめて成功しました。さらに、光刺激によって超構造体の形成と解離を制御する技術や、タンパク質を用いず、ペプチドのみで超構造体を形成する技術も開発しています。このように、天然の微小管超構造体を人工的に再構成し、さらに天然にはない構造へと発展させることで、微小管研究と生体材料開発の新たな可能性を切り拓いていきたいと考えています。

微小管の構造制御に基づく細胞操作

微小管は細胞の形態、運動、分裂など、様々な細胞機能に重要な役割を果たしています。したがって、細胞内における微小管の構造や状態を制御することは、細胞機能を操作するための有望なアプローチです。これまでに、微小管に結合してその構造や安定性を変化させる小分子薬剤が多数開発され、抗がん剤などに用いられてきました。これに対して私たちは、ペプチド・タンパク質を用いて、細胞内の微小管を人工制御する技術の開発に取り組んでいます。これまでに、TPが哺乳類細胞や植物細胞の微小管に結合することを見出しました。また、光刺激によって微小管を安定化し、細胞死を誘導することにも成功しています。近年では、微小管同士を架橋するタンパク質ベースのツールである「MT-Bundler」を開発しました。MT-Bundlerで細胞内の微小管を束ねることで、細胞の形態や力学的特性、遊走などを人工的に制御できることを明らかにしています。さらに、化学刺激や光刺激によって微小管を架橋することにも成功しました。このように、私たちは細胞内の微小管を標的としてその構造を制御することで、細胞を自在に操作する技術の創出を目指しています。