前田バイオ工学研究室

研究概要

当研究室では、工学とバイオの新たな融合領域を開拓することを目的として研究を進めている。高分子化学、分析化学、界面化学、生化学、分子生物学などの学術領域を基礎に、バイオ成分を融合した新物質・新材料の創製、バイオ計測の新原理・新手法の開発、ならびに生命プロセスの人工的制御に関する研究を行い、バイオ材料学、環境科学、マイクロ・ナノサイエンス、生命科学、医用工学、その他の分野への応用を展開している。一例としてDNA複合高分子に関する研究があり、DNAバイオセンサー、アフィニティー電気泳動、SNPs応答性ナノ粒子、遺伝子応答性ハイドロゲル、人工的遺伝子機能制御などへ展開することにより、DNA工学という新しい境界領域を開拓しつつある。

その他に現在取り組んでいる主な研究テーマとして、（１）DNAナノ粒子の特異なコロイド界面現象、（２）自律駆動型マイクロ流路チップによるバイオ分析と細胞操作、（３）バイオポリエステル分解酵素の吸着機構と高性能化、（４）分子シャペロンが関与するタンパク質のアミロイド凝集、（５）タンパク質複合体形成観察のための１分子計測法、などがある。これらのテーマに共通するポリシーは、バイオ分子が関与するナノ界面を精密に構築して革新的な機能を創出することである。

最近の研究成果

DNAナノ粒子を利用したバイオ分析システム

図1 表面で二重鎖を形成したDNAナノ粒子の模式図

左：完全相補、右：末端一塩基ミスマッチ。

DNAナノ粒子とは、粒径がナノメートルサイズのビニルポリマー系微粒子や金コロイドの表面に、一本鎖DNAをブラシ状に高密度に固定した複合材料のことである。このナノ粒子はDNAの主鎖に含まれるリン酸アニオンの静電反発のために水中で安定に分散する。ところが興味深いことに、DNAナノ粒子の分散液に相補鎖を添加して粒子表面で二重鎖を形成すると、ナノ粒子はただちに凝集する。凝集を誘起する相補的DNAは、粒子表面上のDNAと長さ（塩基数）も厳密に一致するものに限られるのが特徴であり、あくまでも自発的な、非架橋型の粒子凝集であると言える。この凝集現象は、ポリマー微粒子の場合は分散液の白濁化、金コロイドでは表面プラズモン共鳴シフトによる赤色から青色への色調変化として目視で容易に確認できる。さらに、粒子表面上で形成される二重鎖DNAの自由末端がミスマッチの場合は、非架橋型凝集が全く生じないことも見いだした。我々は、偶然に発見した特異的なコロイド界面現象のメカニズムを分子レベルで理解するとともに、この現象に基づいた独自のバイオ分析システムを開発し、実用化することを目指して研究を進めている。

非架橋型凝集のメカニズムについては、未だ詳細は明らかになっていない。しかし、ナノ粒子のコアの材質には依存しないことから、粒子表面のDNA密生層が示す特異的な物理化学的性質に由来することは確かである。これまでに、NMRによるDNAの局所構造解析、電気泳動法による粒子の表面電荷密度測定、原子間力顕微鏡法による粒子間相互作用解析、SPring-8を利用した小角X線散乱測定によるナノ粒子凝集体の構造解析などを行っている。その結果、粒子間に作用するエントロピー的斥力（立体反発）が粒子表面のDNA構造に依存して著しく変化し、これがナノ粒子のコロイド安定性に大きな影響を与えていることが示唆されている。

バイオ分析システムへの応用に関しては、末端塩基対形成に鋭敏に応答して凝集または分散する性質を利用して、簡便な一塩基多型タイピング法を開発している。さらに、自律駆動型マイクロ流路チップを利用してサンプルを大幅に少量化し、粒子凝集の検出にイメージング型表面プラズモン共鳴センサーを用いることにより高感度化も実現した（検出限界：19fmol）。また、アプタマーによる分子認識やリボザイムによる触媒反応と組み合わせると、DNAナノ粒子を様々な標的物質に応答して凝集させることができる。これまでに、細胞内情報伝達物質（cGMP）、生体エネルギー物質（ATP）、補酵素（FMN）、酸化損傷核酸塩基（8-oxoG）、アルカロイド（テオフィリン）、重金属イオン（水銀イオンおよび銀イオン）をそれぞれ目視検出する分析システムが構築されている。その他に、アプタザイムの自己切断反応を活用することにより、アプタザイムの補因子となる様々な生体分子を入力とし、DNAナノ粒子の非架橋型凝集による色調変化を出力とする、ナノメートルサイズの論理回路要素（ANDゲートおよびORゲート）の開発も試みている。

図2 DNAを固定したポリマー系ナノ粒子を用いる一塩基変異の目視識別

左：一塩基置換体、右：正常体。

図3 ＤＮＡを固定した金ナノ粒子を用いる水銀イオン（Hg2+）の目視検出