均一サイズの生体分子凝集体の生成・集積制御を実現 ～マイクロチップの振動により「微小渦群」を発生させ DNAナノ構造の凝集体形成制御に応用～

本プレスリリースは、学校法人中央大学、国立大学法人東京科学大学との共同発表です。

　近年、細胞内部ではタンパク質や核酸などの生体高分子が液-液相分離によって自発的に集合し、水中でも周囲と境界を持つ凝集体を形成していることが明らかになりました。これらは膜のない細胞小器官として機能し、生体反応を制御する重要な役割を担っています。この現象に関連して、人工的に設計されたDNAナノスターなどのDNAナノ構造体からDNA凝集体をつくり、利用する研究が注目されています。DNAナノスターは、その先端にある粘着末端の設計により、凝集の強さや性質をプログラム可能です。
　しかし、凝集体は、通常いろいろなサイズのものができてしまうため、その利用法に制限がありました。均一なサイズの凝集体を作製する試みもなされていましたが、課題がありました。代表的なものは、均一な油中水滴やマイクロウェル（小部屋）にDNAナノ構造を閉じ込めて凝集させる方法ですが、凝集体をとり出したり、溶液を添加したりといった後利用が困難でした。そのため、物理的な区画を使わず、簡便に、生体環境に近い水性条件下で凝集体を制御できる新しい技術が求められていました。

　本研究グループは、独自の流体制御技術である振動誘起局所渦（VILV）プラットフォームを利用し、上記の課題を解決しました（図1）。
　本手法では、マイクロピラー（直径0.1mm程度の微細な柱）が配列されたチップにDNAナノスター溶液を入れ、特定の周波数で水平旋回振動を与えます。すると、ピラー周辺に均一かつ安定なマイクロ渦群が発生します。このVILVは、物理的な壁を持たない仮想的なマイクロ容器として機能します。この仮想容器内での流体力学的な作用により、分散していたDNAナノスターの小さな凝集体は渦の中心へと濃縮され、その結果、均一なサイズのDNA凝集体がアレイ状に形成されます（図2）。
　さらに本研究では、形成した凝集体の位置制御も実現しました。通常、液内の凝集体は放置すると移動し、互いに融合してしまいますが、振動を低周波数（200 Hz）に切り替える維持モードを与えることで、凝集体を渦中心に穏やかに保持し、液滴同士の融合を長時間抑制することに成功しました。また、異なる粘着末端を持つDNAナノ構造やリンカー（接続部品）としてのDNAナノ構造を加えることで、中心部に小さな別のナノ構造が付着したパッチ構造^注4）の凝集体の構築も実証しました（図3）。この複合構造は、分子検出などの用途に利用できるため、均質な構造制御は再現性の向上につながります。

　本研究で確立したVILVプラットフォームは、単一水相中で、均一な生体分子凝集体の形成位置やサイズを精密に制御できる画期的な技術です。今後は、この均一な凝集体をボトムアップ合成生物学^注5）における人工細胞凝集体のモデルとして利用することや、疾病診断における分子検出素子などへの応用が期待されます。

●この研究成果のもととなった研究経費（主管庁、配分機関等）
科学研究費補助金（文部科学省）
日本学術振興会（JSPS）
　科学研究費助成事業（科研費） JP24K01320, JP24H01155, JP23K22725, JP20H05935, JP24K08214
科学研究費補助金以外の研究経費
　公益財団法人 JKA　開発研究
　中央大学 理工学研究所

　　　　　　　　［動画］Vibration-Induced Local Vortex (VILV) 印加後の凝集体の様子
　　　　　　　　　　その1　https://www.youtube.com/watch?v=2MjehuOdkeM
　　　　　　　　　　その2　https://www.youtube.com/watch?v=FSJ5LWUCh7I
　　　　　　　　　　その3　https://www.youtube.com/watch?v=_kvy7wpgr28

注１）生体分子凝集体（および液-液相分離, LLPS） 
　「膜のない細胞小器官」とも呼ばれる。タンパク質や核酸（DNAなど）が、細胞内で液-液相分離（LLPS）という物理現象によって自発的に形成する、高濃度の液滴状の分子構造体。細胞内のプロセスを組織化するために不可欠である。従来の試験管内（in vitro）での再現実験ではサイズをそろえることが困難であったが、本研究の手法は、細胞内と同じ「単一水相」環境下でその形成を精密に制御できる点に優位性があり、より生体に近い条件での解析を可能にする。
注２）DNA凝集体
　細胞内の染色体はDNAが高密度に凝集したものであり、DNA凝集体はDNAナノテクノロジーの分野でも研究・応用されている。特に、数種類の短い一本鎖DNAからなるY字型やX字型など複数のアームを持つDNAナノ構造体（DNAナノスター）の凝集体が注目されている。アームの先端に4～10塩基の粘着末端（sticky ends）を設けることで、ナノスター間の結合を精密に制御できる。これにより、分子認識などの機能を組み込みつつ、凝集と解離を制御することが可能となる。
注３）振動誘起局所渦（Vibration-Induced Local Vortex: VILV） 
　本研究グループが確立した振動誘起流（Vibration-Induced Flow: VIF）技術を基盤とし、それを発展させた技術。マイクロピラー（微小な柱）アレイを用いることで、空間的に固定された安定な渦を生成する。この渦は、壁を持たない仮想的なマイクロ区画として機能し、外部から接触することなく、分子をその中心に濃縮・捕捉することができる。
注４）パッチ構造 
　中心部（コア）と、それを覆う多数の微小部分からなる構造のこと。本研究では、性質の異なるDNA凝集体をパッチ状に形成させることに成功した。
注５）ボトムアップ合成生物学 
　既存の生物を改変するのではなく、DNA、タンパク質、脂質などの基本的な生体分子を部品として組み合わせ、試験管内で細胞のような機能を持つシステム（人工細胞）をスクラッチから構築しようとする研究分野。