研究内容
生物の機能を活用したバイオデバイスの無限の可能性
“スーパーバイオテクノロジー”は、DNAやRNA等の核酸、タンパク質から生細胞などを生体機能材料と捉え、さらなる可能性を引き出し、新しい活躍の場を与えることによって、本来の機能を超えて有効活用していくという、恩師・相澤益男先生によって提唱された考え方です。舟橋研究室ではこのスーパーバイオテクノロジーの考え方に則って、世の中にない新しいバイオデバイスの開発に挑戦しています。
近年になって特に注目されているのが、ES細胞やiPS細胞といった、基本的には無限に増殖し、様々な機能細胞種へと分化することが可能な細胞です。再生医療の急速な発展に伴って、目的の機能細胞種へと意図的に分化させることも可能になってきています。生きた個体からしか入手できなかったような機能細胞を、培養によって作製することが可能になってきており、その培養機能細胞を生体材料として活用した生体外バイオデバイスの開発も視野に入ってきました。
このように機能細胞を材料として積極的に活用することが現実味を帯びてきていることから、現在我々のグループでは、生細胞機能を活用するバイオデバイス作製に向けた基盤技術開発に取り組んでいます。生きた細胞の機能を有効に活用していくためには、細胞の状態を測定し、評価したのち、的確に制御する必要があります。これまでの常識的な発想にとらわれず、様々な生体機能材料の大胆な組み合わせによる機能連携・協調によって新しいバイオセンシング分子（この分子自体がバイオデバイス）を開発し、これらを利用して生細胞内の状態や生細胞間の情報のやり取りを見るための技術開発に挑戦しています。
生細胞内情報を見る技術開発
細胞機能の多くはタンパク質機能の連携によって実現されています。従ってタンパク質発現に係る状況を測定することは、その細胞の状態評価につながると考えられます。生細胞内では、デオキシリボ核酸（DNA）から構成されるゲノム情報に基づきリボ核酸（RNA）が作製され、そのRNAの情報を基にタンパク質が作製されます。我々のグループでは生細胞内の特定RNAの状況を測定することを試みています。
これまで分子生物学的な研究で用いられてきたRNAの状況を測定する方法の多くは、細胞を破砕して中身を抽出し、その抽出物を解析する方法ものでした。このような方法は、生細胞の機能を活用したバイオデバイスを評価・制御するための方法としては利用できません。
そこで、汎用性の高い測定方法の提供を目指して、遺伝情報を司る生体分子であるDNAをナノ構造体の基本骨格材料として利用し、細胞を殺さなくても生細胞内におけるRNAの状況を測定することが可能なバイオセンシング分子を開発しています（図１）。
DNAの自己集積能を利用して作製したナノピンセット構造体のバイオセンシング分子は、標的RNAを認識すると両端が近接するという構造変化を起こします。この構造変化を利用してシグナル産生能を制御することによって標的RNAの検出を行います。
これまでに、標的RNAを検出すると蛍光シグナルを産生するDNAナノピンセット構造体バイオセンシング分子を作製し、これを用いた細胞内の標的RNAのイメージングに成功しています。
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Hajime Shigeto, Keisuke Nakatsuka, Takeshi Ikeda, Ryuichi Hirota, Akio Kuroda, Hisakage Funabashi, “Continuous monitoring of specific mRNA expression responses with a FRET-based DNA nano-tweezer technique that does not require gene recombination”, Anal. Chem., 88(16), 7894-7898 (2016), DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02710
細胞間情報を見る技術開発
生命は機能の異なる細胞間で情報（細胞間情報伝達物質）のやりとりを行い、複雑な機能を発揮します。我々のグループでは細胞間情報伝達物質をすばやく検出する技術の開発に取り組んでいます。
従来の細胞間情報伝達物質の測定法の多くは、測定に手間と時間がかかるうえ、情報伝達物質の状況を経時的に評価するためには、細胞の培養液を逐一分取し、それを測定・解析する必要がありました。しかし、それでは生細胞の機能を活用するバイオデバイスの評価・制御方法には向きません。
そこで、新しいバイオセンシング分子をデザイン・作製し、洗浄操作が必要ない細胞間情報伝達物質測定法を開発しています（図2）。
細胞が持つ情報伝達物質受容タンパク質の標的認識機能と、レポータータンパク質のシグナル産生機能を併せ持つ、新しい機能融合タンパク質をバイオセンシング分子として作製しました。このタンパク質は標的の情報伝達物質を両サイドから挟み込むようにして標的と結合し、その結果シグナル産生部位が近接します。シグナル産生部位が近接するという現象を利用してシグナル産生機能を制御することによって標的情報伝達物質の検出を行います。
標的の情報伝達物質を認識した時のみシグナルを産生するので、測定中に洗浄操作が必要ありません。したがって、細胞培養液にバイオセンシング分子とシグナル産生のための基質を添加しておくだけで、細胞から分泌される情報伝達物質の経時的濃度変化が測定可能です。
これまでに、代表的な細胞間情報伝達物質であるインスリンを検出すると、蛍光シグナルを産生するバイオセンシング分子を開発し、薬剤刺激に応答して培養生細胞から分泌されるインスリンの経時変化測定に成功しています。またこのバイオセンシング分子が表面に並んでいるインスリンセンサー細胞を開発し、この細胞を利用すると単一生細胞から分泌されるインスリンが検出できる可能性があることが示されています。
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