化学エネルギーにより駆動するDNA液滴の動的挙動の制御

控制化学能驱动的 DNA 液滴的动态行为

基本信息

批准号：
22KJ1346
负责人：
丸山智也
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1346/
关键词：
DNA液滴 DNAナノテクノロジー人工細胞 DNAゲル生物物理学非平衡系

项目摘要

本年度は、(i)化学エネルギー依存的なDNA液滴の非平衡状態の実現と、化学エネルギーや反応温度の調整による非平衡状態の制御、および、(ii)複製機能を持つDNA液滴に利用可能な新規DNAナノ構造体の設計を目標とし、その実現に成功した。DNA液滴はY字型DNAナノ構造体が自己集積することによって構築される。(i)では、DNA液滴に対して、二本鎖DNAを解離する機能を持つ大腸菌由来耐熱性ヘリカーゼと化学エネルギーであるdATPを加えて加熱することにより、Y字型DNAナノ構造体間の二本鎖DNA結合を制御することで、DNA液滴の非平衡状態を実現することに成功した。また、非平衡状態のDNA液滴が酵素反応によって溶解する速度が、化学エネルギー量と酵素量に依存して変化することを発見した。さらに、反応温度を調節し、酵素の反応効率を調節することで、DNA液滴の溶解する速度を調節できることを発見した。これらの結果から、化学エネルギーと酵素依存的に、DNA液滴の非平衡状態を制御できるということがわかってきている。(ii)では、NUPACKやoxDNA等のDNA塩基配列設計用のシミュレーションソフトを用いて、大腸菌由来耐熱性ヘリカーゼやDNAポリメラーゼなどの酵素を使用したDNA複製反応とカップル可能な、機能的配列を持つ新規DNAナノ構造体の設計に成功した。また、当初の計画よりも進み、それらの新規DNAナノ構造体によって、DNA複製反応に適切なbuffer内でのDNA液滴の形成に成功した。さらに、新規DNAナノ構造体を構成する1本鎖DNAの複製にも成功した。

今年，我们通过（i）意识到DNA液滴的化学能量依赖性非平衡状态，通过调节化学能和反应温度来控制非平衡状态，以及（ii）设计可用于复制功能的DNA液滴的新型DNA纳米结构。 DNA液滴由自组装的Y形DNA纳米结构构建。在（i）中，我们通过从E. coli中添加抗热的解旋酶来控制Y形DNA纳米结构之间的双链DNA结合，从而成功地实现了DNA液滴的非平衡状态，从而可以从E. coli中添加耐热解旋酶，从而使双链DNA DNA和DATP，化学能，以及DATP，A dNA Droplet的功能。我们还发现，非平衡状态下的DNA液滴通过酶反应溶解的速率取决于化学能和酶的量。此外，发现通过调节反应温度并控制酶的反应效率，可以调节DNA液滴溶解的速率。这些结果表明，DNA液滴的非平衡状态可以以化学能依赖性的方式和酶依赖性方式控制。（ii）使用仿真软件来设计DNA碱序列，例如Nupack和OxDNA，以成功设计具有功能序列的新型DNA纳米结构，可以使用诸如E. colived coli-colived的热耐热的缓光度和DNA聚合酶等酶与DNA复制反应结合。此外，该过程比最初计划的要远得多，并且使用这些新型的DNA纳米结构，在适合DNA复制反应的缓冲液中的DNA液滴的形成成功。此外，构成新型DNA纳米结构的单链DNA也已成功复制。