Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

DNAコンピュータ / 核酸 / 構成的生物学 / アプタマー / 細胞機能の再構成

本研究の目的は、自律的に動作するDNAコンピュータに、生物にとって重要な小分子の存在を検知する入力インターフェイスを実装することにある。その特色は、生体高分子コンピュータが潜在的に持つ、天然の生命由来の物質を直接扱って解析する能力を顕在化させることにある。このシステム内の多段階の反応は容易にプログラム可能であり、さらに、多段階の反応が自律的に動作する。
この小分子を認識するインターフェイスでは、特定の小分子と結合することで起きるアロステリックリボザイムの自己切断の後、自律的に複数段階の反応が進行して、DNAコンピュータの入力となるRNAが生成する。まず、小分子との結合によりリボザイムの自己切断が起きると、リボザイム中でステムを組んでいた断片が解離する。その後、切断済みリボザイムに対して、解離した断片の代わりに一本鎖DNAが対合する。続いて、対合部位に存在するリボザイムの3'末端をプライマー、一本鎖DNAを鋳型として、DNAポリメラーゼによる反応が起きる。その結果、一本鎖DNAに存在したプロモーター配列と鋳型配列が二重鎖化され、転写反応が起きる。こうした一連の反応が自律的に進行することで、RNAが生成される。
最初に構築されたシステムでは、ジボザイムの切断活性や一本鎖DNAの対合に関して、小分子の有無によって3倍の反応効率の差を得られたが、転写量の差は2倍未満であった。配列の最適化や、核酸の末端の修飾を行うことで、切断活性や対合では10倍、転写量の差では3倍の差を生み出すことができた。

DNAコンピュータ / タンパク質 / 無細胞翻訳系 / 構成的生物学 / 細胞機能の再構築 / 細胞機能の再構成

生体高分子システム研究の構成的アプローチの一環である本研究の目的は、あらかじめ指定したRNAを入力とし、分子演算の途中過程で入力とは全く異なる配列のRNAを生成して、これを鋳型とする翻訳反応を行い、最終結果としてタンパク質を出力する自律型生体高分子コンピュータを創出することにある。この生体高分子コンピュータは、逆転写酵素および転写酵素の活性に依存することから、RTRACSと呼ばれ、また人工的につくられた遺伝子回路としてみなすこともできる。
本研究以前のRTRACSは50℃で反応を至適化されていたが、これは一般的な無細胞翻訳反応よりも高い温度である。そこで、本研究により、37℃で反応が進行するようにRTRACSの条件を再調整した。また、系の構成要素が雑多である無細胞翻訳系では、核酸の分解が頻繁に生じてしまう。そこで、本研究では、RTRACSの変換規則を記したDNA分子の末端を修飾することで、分解酵素に対する耐性を付与した。興味深いことに、この修飾により、これまでのRTRACSに見られていた非特異的な交差反応を大幅に低減することができた。これは、予期しない核酸のミスハイブリダイゼーションに起因するDNA伸長反応が修飾により不可能であるためだと予想できる。これらの改善により、RTRACSの出力RNAを鋳型として汎用されている無細胞翻訳反応を行うことに、なんら障害が無いことが示された。
また、本研究の成果を構成的生物学の世界水準の諸研究と共に議論するために、構成的生物学に関する国際ワークショップ、「synthetic approaches to cellular functions」を海外研究者と共にオーガナイズし、この会には150名以上が参加した。