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

【研究成果】

　岐阜大学の東特任助教は、ドイツ・ミュンスター大学のWegner教授らとともに、巨大リポソーム (Giant unilamellar vesicles, GUV)注1 を人工細胞膜として使用し、リポソーム内部への生体分子の封入および人工細胞膜を工夫し、新しい機能を持つ人工細胞の開発に取り組んでいます。

　本研究では、細胞の適応性を人工細胞で模倣し、3種類の異なる刺激に応じた機能を示す人工細胞の開発を目指しました。人工細胞での適応性の実現には、外部刺激を内部に正しく届ける仕組みが重要です。細胞では、細胞膜上に発現しているトランスポーターやチャネル、受容体といった膜タンパク質が、細胞膜を通過できない物質を輸送または結合することで多様な反応 (細胞現象) が起こります。本研究はこの仕組みに着想を得て、特定の刺激を内部に届けるトランスポーターを人工細胞膜に結合させました。具体的には、巨大リポソーム内に互いに異なる機能を示す3種類の金属(依存性)酵素注2 を内包することで人工細胞として扱いました。各金属酵素の活性は細胞膜に結合させたイオノフォア注3 による金属イオン輸送で制御が可能です。この設計により、人工細胞外部の特定の金属イオンがイオノフォアを介して細胞内に輸送され、対応する金属酵素のみが活性化して機能を発揮することが期待されました。実際、人工細胞外部に3種類の金属イオンを共存させた環境で特定のイオノフォアを細胞膜に結合させると、イオノフォアの選択に応じて異なる機能を示すことが証明されました (図1)。これにより、実際の細胞に近い適応性を人工細胞に付与することができたと言えます。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202412202086-O5-seNfI057】

図1. 人工細胞の設計 a) 3種類の金属酵素: ウレアーゼ、ガラクトースオキシターゼ、ホスホリパーゼA2はそれぞれ特定の金属イオン (Ni2+, Cu2+, Ca2+) と結合すると活性化され、細胞内pHの上昇、過酸化水素 (H2O2) の発生、細胞膜を分解する機能を示す。 b) 3種類の金属酵素を内包させた人工細胞に金属イオンを外部に共存させた状態からイオノフォアA, BまたはCを細胞膜に結合させた時の蛍光顕微鏡画像。マゼンタ色は人工細胞膜を示している。青色はpHセンサー、緑色はH2O2センサーの蛍光に由来し、蛍光強度の増加はそれぞれpH上昇とH2O2濃度上昇を示す。