【研究領域課題番号】19K22256 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 変異原 / 1分子検出 / アルコール / アセトアルデヒド / 1分子計測 / 次世代シークエンサー / 変異

【研究成果の概要】

本研究では、発がん物質であるアルコールの摂取により過渡的に体内に生じる核酸付加体“N2-ethylidene-G (ethG)”の形成について知見を得ることを目的とした。PacBio社製の次世代シーケンサーRSII＋を用いて、核酸の結合・解離過程を1分子追跡することにより、mMオーダーの比較的高濃度のアセトアルデヒド存在下におけるethGの生成の観測に成功した。ethGの生成を詳細に定量的に議論するためには、膨大なデータを適切に処理することが必要であることが浮き彫りになった。過渡的に形成するethGの生成、解離過程のデータ解析法を確立するため、核酸アプタマーの1分子解析を達成した。

【研究の社会的意義】

百薬の長とよばれ我々の人生を豊にしている一方、国際がん研究機関より、ベンゼンなどと同じ「G1: ヒトに対する発がん性がある」に分類されているアルコールの摂取が体に与える影響を理解することは、人類がアルコールとより上手に付き合うことにつながる。我々が行ったハイスループットな1分子観測は、低頻度、かつ、短時間にしか生じない、すなわち、過渡的な準安定生成物の生成・代謝機構を調べる有効なツールとなりうることが示された。一方で、膨大なデータからのデータ抽出が必要でありAI等のデータサイエンス分野との連携が不可欠であることを浮き彫りとした。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2022-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究領域課題番号】19K22244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子シークエンサー / DNA / 配列解析 / 1分子計測 / １分子計測

【研究成果の概要】

1.　o-フェニレンジアミンと修飾核酸塩基5-formyl-dU（5-fdU）との酸化的環化反応で、5位benzimidazole構造をもつ5-BzImが定量的に形成されることを確認した。　2.5-BzImは金のフェルミ準位に近いHOMO軌道を持ち、dT、5-fdU、dGに比べて高いトンネル電流を示した。　3.金電極と官能基との相互作用に着目した。エチニル基、シアノ基、アミノ基を5位に持つ修飾dUのうち、5位にエチニル基を持つEtdUは、優位に大きいトンネル電流を示した。　4.トンネル電流値の大きさとCV値の2変数による解析により、EtdUの識別精度が向上できることを確認した。

【研究の社会的意義】

量子シークエンサーは、核酸の配列解析を可能にする次々世代シークエンサーとして、その実現が期待されています。本研究成果は、検出が困難と考えられてきた「修飾を受けた塩基」に対する解析に向けた方法を提案しています。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】生体関連化学

【研究領域課題番号】17H03088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 高次構造 / 1分子検出 / 構造転移 / 速度 / 蛍光 / blinking / １分子計測 / 1分子計測 / DNA高次構造 / 蛍光相関分光

【研究成果の概要】

研究代表者がこれまで進めてきた、蛍光点滅現象（blinking）の理解・制御・活用に基づいた1分子レベル分析・診断法（Kinetic Analysis based on the Control of the fluorescence Blinking: KACB法）を発展させ、DNA高次構造転移の1分子観測法を確立した。酸化・還元反応によるblinkingの制御により、DNAのヘアピン、二本鎖、B型、A型の各構造の1分子識別を達成し、これにより新たなDNA1分子検出法を開発した。blinkingパターンの時間変化を追跡し、機能性RNAの構造転移の1分子検出に成功した。

【研究の社会的意義】

本研究で開発した、KACB法は、様々な分子の1分子検出、そして、その分子のダイナミクスに関する情報の抽出を可能年、様々な、1分子分析、診断法の開発へとつながる基盤技術として期待される。2014年にノーベル化学賞が贈られた、超解像顕微鏡の開発においては、1つ1つ蛍光分子から点を描き、点描画のように高解像度の画像が得られる。本研究では、蛍光分子から点を描くだけでなく、各蛍光分子から発せられる情報をもマッピング可能な技術へと発展すると期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】16K13645 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオセンシング / ナノポア / 相変化材料 / DNA / 金ナノ粒子 / １分子計測 / ナノバイオ / 半導体物性 / 流体工学

【研究成果の概要】

ナノポア技術への期待はシーケンサ応用にとどまらず、分子・粒子識別、タンパク分子解析や細胞観察・遺伝子導入などに広がりつつある。本研究では、固体ナノポアに対してアクティブな制御機能を具備させることを目的とした。ナノポアを相変化材料で被覆し、結晶相・アモルファス相間の大きな光学的コントラストを利用することによって、ナノポア近傍に生じる対流、熱泳動を制御し、DNAやナノ粒子のナノポア通過過程のスイッチング機能を実証した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】ケミカルバイオロジー

【研究領域課題番号】15K12755 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / supercoil / fluorescence / blinking / 1分子測定 / 超らせん / 1分子計測 / 三本鎖 / 蛍光相関分光 / 速度 / DNA高次構造 / 蛍光 / 3重鎖

【研究成果の概要】

生体内においてDNAは、2重らせんをほどくように（2本の鎖の巻きつき回数を減らすように）ねじられた状態で存在していて、このようなねじれは負の超らせん（negative super coil）と呼ばれます。本研究では、負の超らせんによりDNAがほどけた際に生じると考えられている、DNA３重鎖構造を1分子レベルで検出する方法を開発しました。光をあてると光る蛍光分子と呼ばれる分子が、蛍のように点滅する現象＝蛍光のblinkingを操ることにより可能となりました(KACB法:Kinetic Analysis based on the Control of fluorescence Blinking)

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)

【研究分野】ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】26600055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノポアセンシング / DNA / 蛍光計測 / プラズモン / １分子計測 / ナノ光学 / ナノ流体工学 / ナノデバイス / 生体生命情報学 / バイオセンシング / ナノオプティクス

【研究成果の概要】

ナノポアシーケンサにおいて高精度な塩基識別実現に向けた課題は、通過速度の低速化と安定化である。そのためには、ナノポア通過直前・直後のDNAの形態やそれに依存したドリフト運動と拡散運動の競合等を明らかにする必要がある。本研究では、ナノポア通過中、ならびに通過後のDNAコイル形成と空間的移動の観測に必要な100nm、0.1msの空間・時間分解能を有する光学的観察手法の開発、動作実証をおこない、さらにナノポア近傍の電場に起因する特徴的なDNA通過挙動を見出した。また塩基情報解読に向けてSTED利用の有効性を確認し、プラズモニック・ナノポアの作製に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】生体関連化学

【研究領域課題番号】24350084 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遺伝子診断 / RNA / エピジェネティクス / １分子計測(SMD) / DNA / 1分子計測(SMD)

【研究成果の概要】

ターゲットRNAとプローブDNAのハイブリダイゼーションに加え、形成されるDNA/RNAハイブリッド構造の物性、すなわち、電荷移動特性を利用した1分子レベルRNA分析・診断法を開発した。電荷移動、電荷分離過程が蛍光の点滅（blinking）として観測されうることに着目し、暗状態の時間の長さ（OFF time）が、DNAの電荷移動特性を反映した電荷分離寿命（τ）と一致することを利用し、1分子レベルでDNA/RNAハイブリッドの電荷移動特性を調べ、RNA分析・診断へと応用した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)

【研究分野】生体関連化学

【研究領域課題番号】23655155 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 一分子観測 / 生物有機化学 / 蛍光相関分光 / blinking / 三重項励起状態 / 遺伝子診断 / 一分子計測（SMD） / RNA / 蛍光 / FCS / モレキュラービーコン / 診断 / １分子 / 一塩基多型

【研究成果の概要】

様々な蛍光分子を種々の位置に修飾したDNAを化学合成し、蛍光相関分光（FCS）測定により、蛍光分子の発光挙動を1分子レベルで見たときに観測される発光の点滅（＝blinking）において蛍光分子が光っていない時間（＝OFF time）からモレキュラービーコンの1分子レベル観測を試みた。OFF timeは、蛍光分子が溶媒から遮蔽されて、蛍光分子の三重項励起状態と酸素の反応速度が遅くなるほど長くなることがわかった。これにより、蛍光分子をモレキュラービーコンのループ部位に導入することにより、検出したいターゲット鎖をblinkingの観測により1分子レベルで検出することに成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)