金属酵素の活性制御を応用して人工細胞の運命制御に成功

2024年12月24日

岐阜大学

金属酵素の活性制御を応用して人工細胞の運命制御に成功

【本研究のポイント】

・特定の金属イオンを刺激として認識し、異なる機能を示す人工細胞を開発しました。

・金属イオンを選択的に輸送するイオノフォアを人工細胞膜に結合させることで、人工細胞内の金属依存性酵素を選択的に活性化し、特定の機能を発現させることに成功しました。

・膜に結合するイオノフォアの種類や順序が、人工細胞内での酵素活性化の順番を決定し、最初に活性化された酵素がその後の細胞運命を決定することを実証しました。

【研究概要】

本研究の概要図

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202412202086-O4-vXgbP634】 

　岐阜大学高等研究院の東小百合 特任助教は、ドイツ・ミュンスター大学のSeraphine V. Wegner教授らとの共同研究により、巨大リポソーム内の金属酵素の活性を制御する技術を確立し、外部からの刺激 (金属イオン) に応じて異なる運命を辿る人工細胞の開発に成功しました。

　近年、細胞現象の理解およびバイオ材料への応用を目指し、人工的に細胞を創る試みが活発に行われています。これまでは、多くの中から1つの細胞現象に絞って再構築する研究が進展してきました。一方、今後の課題は、多くの細胞現象を1つの人工細胞で再現することにあります。私たちの細胞は細胞膜上にトランスポーターやチャネル、受容体など様々な膜タンパク質を持ち、周囲の変化に応じた機能を発揮します。

　本研究では、細胞サイズの巨大リポソーム膜に特定の金属イオンを透過させるイオノフォアを結合し、輸送された金属イオンによって異なる機能を示す人工細胞を開発しました。互いに機能の異なる3種類の金属(依存性)酵素を巨大リポソームに同時に内包することで人工細胞を作製し、イオノフォアによる金属イオン輸送で金属酵素の活性を制御することに初めて成功しました。さらには、最初に活性化された金属酵素が人工細胞の運命を決定し、他の経路の活性化を抑制する仕組みも実証しました。

　本研究成果は、2024年12月23日にNature Chemistry誌のオンライン版で発表されました。

 

【研究背景】

　近年、人工細胞の開発が活発に行われています。具体的には、細胞の構成因子を用いた構造や機能の模倣により、細胞現象の理解や自律的に動くバイオ材料への応用を目指した取り組みが進められています。細胞の持つ機能を模倣する研究として、遺伝子発現（複製・転写・翻訳）、 ATP(アデノシン三リン酸)生成、複数の酵素反応からなる代謝、細胞分裂や融合、細胞同士の接着や情報伝達といった重要かつ基礎的な機能を示す人工細胞の開発が進められてきました。しかし、既存の人工細胞の多くは、これらの機能のうち1つの機能に焦点を当て、外部刺激に応答してその機能が発現するよう設計されています。一方で、実際の細胞はこれらの機能を全て備え、細胞内外の環境の変化を刺激として認識・応答して特定の機能を示す高度な適応性を持っています。このように周囲の環境に応じて異なる機能を示す人工細胞の開発は世界的にも先行例がほとんどありません。