生体物質内の反応検知方法及び反応制御装置
【課題】シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知・制御できるようにする。
【解決手段】生体内の反応を検知するためのナノチューブ構造体３０は、生体物質内におけるＧＴＰ結合タンパク質を保持するマイクロリアクタ４０と、マイクロリアクタ４０に対してＧＥＦ／ＧＡＰを投入するパイプ５０及び５２と、マイクロリアクタ４０との間での生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、シグナル伝達物質の標的分子を保持するマイクロリアクタ３６と、マイクロリアクタ３６との間での電子の授受が可能なように設けられ、ＧＥＦ／ＧＡＰがマイクロリアクタ４０に投入されたことに応答して、マイクロリアクタ３６内において生ずる標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するポルフィリン金属錯体からなるナノチューブ４２とを含む。
【解決手段】生体内の反応を検知するためのナノチューブ構造体３０は、生体物質内におけるＧＴＰ結合タンパク質を保持するマイクロリアクタ４０と、マイクロリアクタ４０に対してＧＥＦ／ＧＡＰを投入するパイプ５０及び５２と、マイクロリアクタ４０との間での生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、シグナル伝達物質の標的分子を保持するマイクロリアクタ３６と、マイクロリアクタ３６との間での電子の授受が可能なように設けられ、ＧＥＦ／ＧＡＰがマイクロリアクタ４０に投入されたことに応答して、マイクロリアクタ３６内において生ずる標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するポルフィリン金属錯体からなるナノチューブ４２とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は生体物質内のシグナル伝達を解析する技術に関し、特に、シグナル伝達物質の活性化又は不活性化に伴うシグナル伝達経路の下流での反応を分析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノスケールの電子デバイスを用いて生体分子を検出する技術が非特許文献１に開示されている。この技術では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて作成したカーボンナノチューブにより作成された電界効果トランジスタ（ＮＴＦＥＴ）を使用して生体の生化学プロセスに関するリアルタイム監視を行なっている。
【非特許文献１】Ｇ．グリューナ、「研究の主眼：２．ナノスケール電子デバイスを用いた生体分子の検出」、http://www.physics.ucla.edu/research/biophysics/research/focus.htm（G. Gruener，”Research Focus: 2. Detection of biomolecules using nano-scales electronic devices”）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した技術では、カーボンナノチューブを使用している。しかし、カーボンナノチューブの生成プロセスを適切に制御するのは難しい。一方、生化学反応を用いた分子回路技術においては、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知し、それを容易に確認できる電子デバイスが必要とされている。
【０００４】
それゆえに本発明の目的は、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる生体物質内の反応検知方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の局面に係る生体物質内の反応検知方法は、生体物質内における所定のシグナル伝達物質の活性及び不活性を制御するステップと、所定のシグナル伝達物質の活性化又は不活性化に応答する、当該所定のシグナル伝達物質の標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応により電子の移動を発生させるステップと、電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知するステップとを含む。
【０００６】
シグナル伝達物質の活性及び不活性が制御されると、生体物質内のシグナル伝達経路を通して、その標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応が生ずる。この反応により発生する電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知する。したがってこの方法により、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる。
【０００７】
好ましくは、所定のシグナル伝達物質はＧＴＰ結合タンパク質を含み、制御するステップは、ＧＴＰ結合タンパク質に対し、当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換するＧＥＦ、又は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型に転換するＧＡＰを与えるステップを含む。
【０００８】
さらに好ましくは、発生させるステップは、ＧＴＰ結合タンパク質の活性化又は不活性化に応答する、当該ＧＴＰ結合タンパク質によるシグナル伝達の下流のキナーゼのリン酸化反応又は脱リン酸化反応により、電子の移動を発生させるステップを含む。
【０００９】
本発明の第２の局面に係る生体物質内の反応制御装置は、生体物質内における所定のシグナル伝達物質を保持する第１のマイクロリアクタと、第１のマイクロリアクタに対して当該シグナル伝達物質の活性及び不活性を制御する所定の制御物質を投入するための制御物質投入手段と、第１のマイクロリアクタとの間での生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、シグナル伝達物質の標的分子を保持する第２のマイクロリアクタと、第２のマイクロリアクタとの間での電子の授受が可能なように設けられ、制御物質投入手段により第１のマイクロリアクタに所定の制御物質が投入されたことに応答して、第２のマイクロリアクタ内において生ずる標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するための電流検知手段とを含む。
【００１０】
制御物質を第１のマイクロリアクタに投入すると、シグナル伝達物質の活性及び不活性が制御される。すると、生体物質内のシグナル伝達経路を通して、その標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応が生ずる。この反応により発生する電子の移動を電流検知手段で検知する。したがってこの装置により、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる。また、電流検知手段の出力に応じて制御物質の投入を制御することで、生体物質内のシグナル伝達経路における反応を制御することができる。
【００１１】
好ましくは、所定のシグナル伝達物質はＧＴＰ結合タンパク質を含み、所定の制御物質は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換するＧＥＦ、又は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型に転換するＧＡＰを含む。
【００１２】
さらに好ましくは、電流検知手段は、第２のマイクロリアクタとの間で電子の授受が可能なように設けられた、ポルフィリン金属錯体の薄膜を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に説明する実施の形態では、生体分子によるシグナル伝達のメカニズムを用い、タンパク質のリン酸化反応・脱リン酸化反応を制御することによって、キナーゼ／ホスファターゼによる反応から取出す電流を制御する。
【００１４】
＜構成＞
図１に、本発明の一実施の形態に係るナノチューブ構造体の外観斜視図を示し、図２に図１の２−２断面における断面図を示す。なお以下の実施の形態では、培養基としては、日本国の大学の分子生物学研究室においてよく使用される細胞を用いる。典型的にはＭＤＣＫ（Ｍａｄｉｎ−Ｄａｒｂｙ Ｃａｎｉｎｅ Ｋｉｄｎｅｙ）エピセリウム細胞を用いる。これは上皮細胞である。
【００１５】
図１及び図２を参照して、このナノチューブ構造体３０は、円筒型のガラス容器３２と、ガラス容器３２の内面に形成された、キナーゼ（タンパク質リン酸化酵素）／ホスファターゼ（リン酸化されたタンパク質を元に戻す脱リン酸化反応を触媒する因子）を含む生体のシグナル伝達分子を含む培養基からなるナノチューブ（以下「キナーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３４と、キナーゼナノチューブ３４の内面に形成された、同じく生体シグナル伝達分子を含む培養基からなるマイクロリアクタ３６と、マイクロリアクタ３６の内面に形成された、ＧＴＰアーゼ（Ｇｕａｎｏｓｉｎｅ Ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）を含んだ生体たんぱく質を含む培養基からなるナノチューブ（以下「ＧＴＰアーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３８と、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８の内面に形成された培養基からなるマイクロリアクタ４０と、マイクロリアクタ４０の内面に形成された、ポルフィリン金属錯体のナノワイアにより形成されたナノチューブ（以下「ポルフィリンナノチューブ」と呼ぶ。）４２と、ポルフィリンナノチューブ４２の内面に設けられた円筒型の内部ガラス面４４とを含む。
【００１６】
ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合型タンパク質に結合したＧＴＰ（グアノシン５’−三リン酸）を加水分解してＧＤＰ（グアノシン５’−二リン酸）と無機リン酸（Ｐｉ）を生成する反応において触媒となる酵素である。ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合タンパク質分子の活性を制御するという重要な機能を持つ。
【００１７】
ＧＴＰ結合タンパク質は、ＧＴＰ結合型タンパク質分子とＧＤＰ結合型タンパク質分子との二つの形態をとる。
【００１８】
ＧＴＰ結合タンパク質に結合したＧＤＰをＧＴＰに交換する反応を促進する因子として、ＧＥＦ（ＧＤＰ−ＧＴＰ交換因子）が知られている。ＧＥＦによりＧＤＰ結合型タンパク質はＧＴＰ結合型に変化する。一般的に、ＧＴＰ結合型はシグナル伝達の下流の標的分子に対して活性を示す。
【００１９】
一方、ＧＤＰ結合型は不活性を示す。ＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化は、ＧＴＰアーゼにより行なわれる。ＧＴＰアーゼは一般の生体物質内に広く存在し、タンパク質に内在する。したがって、活性となったＧＴＰ結合型タンパク質はやがて不活性化する。一般的に、ＧＴＰアーゼの活性（ＧＴＰ結合タンパク質のＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化を促進する活性）は、ＧＡＰ（ＧＴＰアーゼ活性化タンパク質）により促進されることが知られている。
【００２０】
ＧＥＦ／ＧＡＰとしては多様なものが知られている。ここでは、培養基の生体分子として使用するタンパク質に対し有効なものを使用する。
【００２１】
再び図１及び図２を参照して、ナノチューブ構造体３０はさらに、それぞれマイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を通り、マイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を介してＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のＧＴＰ結合型タンパク質の活性及び不活性を制御するためにＧＥＦ又はＧＡＰを投入するための中空でかつ周囲に多数の小径が形成されたパイプ５０及び５２と、後述するように、キナーゼナノチューブ３４内のキナーゼ／ホスファターゼによる反応で発生する電子の流れをポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリンを介して検知するための電流ガイド５４とを含む。
【００２２】
なお、上記したように、キナーゼ／ホスファターゼにより制御されるシグナル伝達のためのタンパク質からなるナノチューブ構造体３０は、以下のようにして作成できる。まず、キナーゼ／ホスファターゼ、ＧＴＰアーゼを含む生体分子をそれぞれイン・ビートロでナノワイア状に作成し、それぞれ円筒形状に整形する。このときには、これら物質が持つ自己組織化能力を利用する。この結果、キナーゼナノチューブ３４とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とが作成される。この二つのチューブの間に存在する生体分子によりマイクロリアクタ３６が形成される。
【００２３】
一方、これとは別に、現在のバイオ化学の技術を用い、ポルフィリンによるナノチューブ型の構造（ポルフィリンナノチューブ４２）を作成する。ＧＴＰアーゼナノチューブ３８のさらに内側に、マイクロリアクタ４０を構成する生体分子と電流ガイド５４とを間に挟んでこのポルフィリンナノチューブ４２を挿入して張合わせる。こうして、ナノチューブ構造体３０が形成される。
【００２４】
なお、マイクロリアクタ４０とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とでシグナル伝達物質であるＧＴＰ結合タンパク質を含む一つのマイクロリアクタが形成されており、マイクロリアクタ３６とキナーゼナノチューブ３４とにより、ＧＴＰ結合タンパク質によるシグナル伝達の下流の標的分子を含むもう一つのマイクロリアクタが形成されていると考えることができる。また、マイクロリアクタ３６及び４０のいずれにも、ＧＴＰ結合タンパク質をはじめ、シグナル伝達経路を構成する種々の生体物質が含まれていることはいうまでもない。
【００２５】
なお、ナノチューブ構造体３０の外径は５ｃｍ程度、高さは１５ｃｍ程度、内部ガラス面４４の内径は１ｃｍ程度が好ましいが、この大きさに限定されるわけではない。また、キナーゼナノチューブ３４及びＧＴＰアーゼナノチューブ３８については、イン・ビートロでなく、イン・ビーボで作成してもよい。また、本明細書でナノチューブと呼ぶときには、厚さ１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜形状のものを想定している。
【００２６】
＜動作＞
図３はＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。図４はナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【００２７】
図１〜図４を参照して、上記した構成を持つナノチューブ構造体３０は以下のように動作する。パイプ５０及びパイプ５２に例えばＧＥＦが供給されるものとする。図３を参照して、例えばパイプ５２中を流れるＧＥＦはパイプ５２の周囲に形成された小径を介してマイクロリアクタ内に入り、さらに図３において矢印６０で示すようにＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のナノワイア状のＧＴＰ結合タンパク質６４を活性化する。
【００２８】
図４を参照して、ＧＴＰ結合タンパク質６４はＧＥＦ９４により活性化する。すなわち、ＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換される。その結果、マイクロリアクタ３６内では、キナーゼナノチューブ３４内の、このタンパク質の標的分子を含むシグナル伝達分子複合体１０４内のキナーゼ８０がリン酸化され、活性化される。このようにシグナル伝達経路の下流において活性化したキナーゼは、キナーゼカスケード８２を介してさらに下流のキナーゼをリン酸化し、この過程で伝達されるシグナルが増幅される。
【００２９】
このリン酸化の過程では、多数の電子１００が発生される。これら電子はマイクロリアクタ３６、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８及びマイクロリアクタ４０を通ってポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリン金属錯体９８により収集される。ポルフィリン金属錯体９８は低エネルギの光合成機能があり、この過程で電子を収集するためである。ポルフィリン金属錯体９８はさらに、ポルフィリンの自己組織化によってナノワイア形状となっており、さらにそれらワイアによりポルフィリンナノチューブ４２が形成されている。これらナノワイアは、ポルフィリン金属錯体９８の内部に存在する金属のために導電性となっている。したがって、ポルフィリンナノチューブ４２には電子が集積され、これらを電流ガイド５４から電流１２０として取出すことができる。
【００３０】
一方、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８にＧＡＰを供給するものとする。ＧＥＦ６２により活性化されたＧＴＰ結合型のタンパク質は、通常はその内部に存在するＧＴＰアーゼにより自然にＧＤＰ結合型となり不活性化される。しかし、このようにＧＡＰが外部から供給されることにより、さらに速やかに不活性化する。ＧＴＰ結合型タンパク質の活性でリン酸化されたキナーゼ８０も同様にホスファターゼ９０により脱リン酸化され不活性化する。この際、ポルフィリンナノチューブ４２中の電子がこれら反応により消費される（１０２）。その結果、ポルフィリンナノチューブ４２からの電流の取出しはできなくなる。
【００３１】
こうして、パイプ５０及びパイプ５２にＧＥＦ／ＧＡＰを供給することにより、ＧＴＰ結合タンパク質の活性化１１０・不活性化１１２を制御し、さらにそのターゲット因子であるキナーゼ８０の活性化／不活性化を制御する。この反応により、ポルフィリンナノチューブ４２を流れる電流を制御することができる。
【００３２】
以上のように本実施の形態に係るナノチューブ構造体３０によれば、ＧＥＦ／ＧＡＰの供給を制御することにより、生体分子中のシグナル伝達を担う物質の活性化／不活性化を容易に制御できる。その結果、たんぱく質の構造と機能とを明らかにし、タンパク質相互の間の関係を明らかにする、というプロテオミクスに基づいて、薬品を設計するために、生体分子の重要な機能を自在に制御することができる。
【００３３】
また、上記した実施の形態によれば、ポルフィリンを用いた「分子回路」及び関連の分子デバイス（「分子ウェア」）を設計したり、制御したりすることが容易になり、ナノエレクトロニクスの分野で幅広く応用することができる。
【００３４】
また、上記実施の形態では、キナーゼナノチューブ３４、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８、及びポルフィリンナノチューブ４２がこの順序で積層されているが、順序は必ずしもこの通りでなくても良い。例えばＧＴＰアーゼナノチューブ３８、キナーゼナノチューブ３４、そしてポルフィリンナノチューブ４２という順序でもよい。さらに、上記した実施の形態ではこれらがいずれもナノチューブ形式となっているが、単に薄膜形状で積層されていてもよい。
【００３５】
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明は、分子回路を用いて生化学プロセスを監視したり制御したりする技術、及びたんぱく質の振舞いを研究することにより薬品を設計したりする技術に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るナノチューブ構造体３０の外観斜視図である。
【図２】図１に示すナノチューブ構造体３０の一点鎖線２に沿った断面の断面図である。
【図３】ＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。
【図４】ナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
３０ ナノチューブ構造体
３２ ガラス容器
３４ キナーゼナノチューブ
３６，４０ マイクロリアクタ
３８ ＧＴＰアーゼナノチューブ
４２ ポルフィリンナノチューブ
４４ 内部ガラス面
５０，５２ パイプ
５４ 電流ガイド
６２ ＧＥＦ／ＧＡＰ
６４ ＧＴＰ結合タンパク質
８０ キナーゼ
８２ キナーゼカスケード
９０ ホスファターゼ
９８ ポルフィリン金属錯体
１０４ シグナル伝達分子複合体
【技術分野】
【０００１】
この発明は生体物質内のシグナル伝達を解析する技術に関し、特に、シグナル伝達物質の活性化又は不活性化に伴うシグナル伝達経路の下流での反応を分析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノスケールの電子デバイスを用いて生体分子を検出する技術が非特許文献１に開示されている。この技術では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて作成したカーボンナノチューブにより作成された電界効果トランジスタ（ＮＴＦＥＴ）を使用して生体の生化学プロセスに関するリアルタイム監視を行なっている。
【非特許文献１】Ｇ．グリューナ、「研究の主眼：２．ナノスケール電子デバイスを用いた生体分子の検出」、http://www.physics.ucla.edu/research/biophysics/research/focus.htm（G. Gruener，”Research Focus: 2. Detection of biomolecules using nano-scales electronic devices”）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した技術では、カーボンナノチューブを使用している。しかし、カーボンナノチューブの生成プロセスを適切に制御するのは難しい。一方、生化学反応を用いた分子回路技術においては、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知し、それを容易に確認できる電子デバイスが必要とされている。
【０００４】
それゆえに本発明の目的は、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる生体物質内の反応検知方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の局面に係る生体物質内の反応検知方法は、生体物質内における所定のシグナル伝達物質の活性及び不活性を制御するステップと、所定のシグナル伝達物質の活性化又は不活性化に応答する、当該所定のシグナル伝達物質の標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応により電子の移動を発生させるステップと、電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知するステップとを含む。
【０００６】
シグナル伝達物質の活性及び不活性が制御されると、生体物質内のシグナル伝達経路を通して、その標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応が生ずる。この反応により発生する電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知する。したがってこの方法により、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる。
【０００７】
好ましくは、所定のシグナル伝達物質はＧＴＰ結合タンパク質を含み、制御するステップは、ＧＴＰ結合タンパク質に対し、当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換するＧＥＦ、又は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型に転換するＧＡＰを与えるステップを含む。
【０００８】
さらに好ましくは、発生させるステップは、ＧＴＰ結合タンパク質の活性化又は不活性化に応答する、当該ＧＴＰ結合タンパク質によるシグナル伝達の下流のキナーゼのリン酸化反応又は脱リン酸化反応により、電子の移動を発生させるステップを含む。
【０００９】
本発明の第２の局面に係る生体物質内の反応制御装置は、生体物質内における所定のシグナル伝達物質を保持する第１のマイクロリアクタと、第１のマイクロリアクタに対して当該シグナル伝達物質の活性及び不活性を制御する所定の制御物質を投入するための制御物質投入手段と、第１のマイクロリアクタとの間での生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、シグナル伝達物質の標的分子を保持する第２のマイクロリアクタと、第２のマイクロリアクタとの間での電子の授受が可能なように設けられ、制御物質投入手段により第１のマイクロリアクタに所定の制御物質が投入されたことに応答して、第２のマイクロリアクタ内において生ずる標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するための電流検知手段とを含む。
【００１０】
制御物質を第１のマイクロリアクタに投入すると、シグナル伝達物質の活性及び不活性が制御される。すると、生体物質内のシグナル伝達経路を通して、その標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応が生ずる。この反応により発生する電子の移動を電流検知手段で検知する。したがってこの装置により、シグナル伝達物質の活性及び不活性による、シグナル伝達の下流での反応の発生を検知できる。また、電流検知手段の出力に応じて制御物質の投入を制御することで、生体物質内のシグナル伝達経路における反応を制御することができる。
【００１１】
好ましくは、所定のシグナル伝達物質はＧＴＰ結合タンパク質を含み、所定の制御物質は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換するＧＥＦ、又は当該ＧＴＰ結合タンパク質をＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型に転換するＧＡＰを含む。
【００１２】
さらに好ましくは、電流検知手段は、第２のマイクロリアクタとの間で電子の授受が可能なように設けられた、ポルフィリン金属錯体の薄膜を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に説明する実施の形態では、生体分子によるシグナル伝達のメカニズムを用い、タンパク質のリン酸化反応・脱リン酸化反応を制御することによって、キナーゼ／ホスファターゼによる反応から取出す電流を制御する。
【００１４】
＜構成＞
図１に、本発明の一実施の形態に係るナノチューブ構造体の外観斜視図を示し、図２に図１の２−２断面における断面図を示す。なお以下の実施の形態では、培養基としては、日本国の大学の分子生物学研究室においてよく使用される細胞を用いる。典型的にはＭＤＣＫ（Ｍａｄｉｎ−Ｄａｒｂｙ Ｃａｎｉｎｅ Ｋｉｄｎｅｙ）エピセリウム細胞を用いる。これは上皮細胞である。
【００１５】
図１及び図２を参照して、このナノチューブ構造体３０は、円筒型のガラス容器３２と、ガラス容器３２の内面に形成された、キナーゼ（タンパク質リン酸化酵素）／ホスファターゼ（リン酸化されたタンパク質を元に戻す脱リン酸化反応を触媒する因子）を含む生体のシグナル伝達分子を含む培養基からなるナノチューブ（以下「キナーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３４と、キナーゼナノチューブ３４の内面に形成された、同じく生体シグナル伝達分子を含む培養基からなるマイクロリアクタ３６と、マイクロリアクタ３６の内面に形成された、ＧＴＰアーゼ（Ｇｕａｎｏｓｉｎｅ Ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）を含んだ生体たんぱく質を含む培養基からなるナノチューブ（以下「ＧＴＰアーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３８と、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８の内面に形成された培養基からなるマイクロリアクタ４０と、マイクロリアクタ４０の内面に形成された、ポルフィリン金属錯体のナノワイアにより形成されたナノチューブ（以下「ポルフィリンナノチューブ」と呼ぶ。）４２と、ポルフィリンナノチューブ４２の内面に設けられた円筒型の内部ガラス面４４とを含む。
【００１６】
ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合型タンパク質に結合したＧＴＰ（グアノシン５’−三リン酸）を加水分解してＧＤＰ（グアノシン５’−二リン酸）と無機リン酸（Ｐｉ）を生成する反応において触媒となる酵素である。ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合タンパク質分子の活性を制御するという重要な機能を持つ。
【００１７】
ＧＴＰ結合タンパク質は、ＧＴＰ結合型タンパク質分子とＧＤＰ結合型タンパク質分子との二つの形態をとる。
【００１８】
ＧＴＰ結合タンパク質に結合したＧＤＰをＧＴＰに交換する反応を促進する因子として、ＧＥＦ（ＧＤＰ−ＧＴＰ交換因子）が知られている。ＧＥＦによりＧＤＰ結合型タンパク質はＧＴＰ結合型に変化する。一般的に、ＧＴＰ結合型はシグナル伝達の下流の標的分子に対して活性を示す。
【００１９】
一方、ＧＤＰ結合型は不活性を示す。ＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化は、ＧＴＰアーゼにより行なわれる。ＧＴＰアーゼは一般の生体物質内に広く存在し、タンパク質に内在する。したがって、活性となったＧＴＰ結合型タンパク質はやがて不活性化する。一般的に、ＧＴＰアーゼの活性（ＧＴＰ結合タンパク質のＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化を促進する活性）は、ＧＡＰ（ＧＴＰアーゼ活性化タンパク質）により促進されることが知られている。
【００２０】
ＧＥＦ／ＧＡＰとしては多様なものが知られている。ここでは、培養基の生体分子として使用するタンパク質に対し有効なものを使用する。
【００２１】
再び図１及び図２を参照して、ナノチューブ構造体３０はさらに、それぞれマイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を通り、マイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を介してＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のＧＴＰ結合型タンパク質の活性及び不活性を制御するためにＧＥＦ又はＧＡＰを投入するための中空でかつ周囲に多数の小径が形成されたパイプ５０及び５２と、後述するように、キナーゼナノチューブ３４内のキナーゼ／ホスファターゼによる反応で発生する電子の流れをポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリンを介して検知するための電流ガイド５４とを含む。
【００２２】
なお、上記したように、キナーゼ／ホスファターゼにより制御されるシグナル伝達のためのタンパク質からなるナノチューブ構造体３０は、以下のようにして作成できる。まず、キナーゼ／ホスファターゼ、ＧＴＰアーゼを含む生体分子をそれぞれイン・ビートロでナノワイア状に作成し、それぞれ円筒形状に整形する。このときには、これら物質が持つ自己組織化能力を利用する。この結果、キナーゼナノチューブ３４とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とが作成される。この二つのチューブの間に存在する生体分子によりマイクロリアクタ３６が形成される。
【００２３】
一方、これとは別に、現在のバイオ化学の技術を用い、ポルフィリンによるナノチューブ型の構造（ポルフィリンナノチューブ４２）を作成する。ＧＴＰアーゼナノチューブ３８のさらに内側に、マイクロリアクタ４０を構成する生体分子と電流ガイド５４とを間に挟んでこのポルフィリンナノチューブ４２を挿入して張合わせる。こうして、ナノチューブ構造体３０が形成される。
【００２４】
なお、マイクロリアクタ４０とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とでシグナル伝達物質であるＧＴＰ結合タンパク質を含む一つのマイクロリアクタが形成されており、マイクロリアクタ３６とキナーゼナノチューブ３４とにより、ＧＴＰ結合タンパク質によるシグナル伝達の下流の標的分子を含むもう一つのマイクロリアクタが形成されていると考えることができる。また、マイクロリアクタ３６及び４０のいずれにも、ＧＴＰ結合タンパク質をはじめ、シグナル伝達経路を構成する種々の生体物質が含まれていることはいうまでもない。
【００２５】
なお、ナノチューブ構造体３０の外径は５ｃｍ程度、高さは１５ｃｍ程度、内部ガラス面４４の内径は１ｃｍ程度が好ましいが、この大きさに限定されるわけではない。また、キナーゼナノチューブ３４及びＧＴＰアーゼナノチューブ３８については、イン・ビートロでなく、イン・ビーボで作成してもよい。また、本明細書でナノチューブと呼ぶときには、厚さ１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜形状のものを想定している。
【００２６】
＜動作＞
図３はＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。図４はナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【００２７】
図１〜図４を参照して、上記した構成を持つナノチューブ構造体３０は以下のように動作する。パイプ５０及びパイプ５２に例えばＧＥＦが供給されるものとする。図３を参照して、例えばパイプ５２中を流れるＧＥＦはパイプ５２の周囲に形成された小径を介してマイクロリアクタ内に入り、さらに図３において矢印６０で示すようにＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のナノワイア状のＧＴＰ結合タンパク質６４を活性化する。
【００２８】
図４を参照して、ＧＴＰ結合タンパク質６４はＧＥＦ９４により活性化する。すなわち、ＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換される。その結果、マイクロリアクタ３６内では、キナーゼナノチューブ３４内の、このタンパク質の標的分子を含むシグナル伝達分子複合体１０４内のキナーゼ８０がリン酸化され、活性化される。このようにシグナル伝達経路の下流において活性化したキナーゼは、キナーゼカスケード８２を介してさらに下流のキナーゼをリン酸化し、この過程で伝達されるシグナルが増幅される。
【００２９】
このリン酸化の過程では、多数の電子１００が発生される。これら電子はマイクロリアクタ３６、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８及びマイクロリアクタ４０を通ってポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリン金属錯体９８により収集される。ポルフィリン金属錯体９８は低エネルギの光合成機能があり、この過程で電子を収集するためである。ポルフィリン金属錯体９８はさらに、ポルフィリンの自己組織化によってナノワイア形状となっており、さらにそれらワイアによりポルフィリンナノチューブ４２が形成されている。これらナノワイアは、ポルフィリン金属錯体９８の内部に存在する金属のために導電性となっている。したがって、ポルフィリンナノチューブ４２には電子が集積され、これらを電流ガイド５４から電流１２０として取出すことができる。
【００３０】
一方、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８にＧＡＰを供給するものとする。ＧＥＦ６２により活性化されたＧＴＰ結合型のタンパク質は、通常はその内部に存在するＧＴＰアーゼにより自然にＧＤＰ結合型となり不活性化される。しかし、このようにＧＡＰが外部から供給されることにより、さらに速やかに不活性化する。ＧＴＰ結合型タンパク質の活性でリン酸化されたキナーゼ８０も同様にホスファターゼ９０により脱リン酸化され不活性化する。この際、ポルフィリンナノチューブ４２中の電子がこれら反応により消費される（１０２）。その結果、ポルフィリンナノチューブ４２からの電流の取出しはできなくなる。
【００３１】
こうして、パイプ５０及びパイプ５２にＧＥＦ／ＧＡＰを供給することにより、ＧＴＰ結合タンパク質の活性化１１０・不活性化１１２を制御し、さらにそのターゲット因子であるキナーゼ８０の活性化／不活性化を制御する。この反応により、ポルフィリンナノチューブ４２を流れる電流を制御することができる。
【００３２】
以上のように本実施の形態に係るナノチューブ構造体３０によれば、ＧＥＦ／ＧＡＰの供給を制御することにより、生体分子中のシグナル伝達を担う物質の活性化／不活性化を容易に制御できる。その結果、たんぱく質の構造と機能とを明らかにし、タンパク質相互の間の関係を明らかにする、というプロテオミクスに基づいて、薬品を設計するために、生体分子の重要な機能を自在に制御することができる。
【００３３】
また、上記した実施の形態によれば、ポルフィリンを用いた「分子回路」及び関連の分子デバイス（「分子ウェア」）を設計したり、制御したりすることが容易になり、ナノエレクトロニクスの分野で幅広く応用することができる。
【００３４】
また、上記実施の形態では、キナーゼナノチューブ３４、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８、及びポルフィリンナノチューブ４２がこの順序で積層されているが、順序は必ずしもこの通りでなくても良い。例えばＧＴＰアーゼナノチューブ３８、キナーゼナノチューブ３４、そしてポルフィリンナノチューブ４２という順序でもよい。さらに、上記した実施の形態ではこれらがいずれもナノチューブ形式となっているが、単に薄膜形状で積層されていてもよい。
【００３５】
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明は、分子回路を用いて生化学プロセスを監視したり制御したりする技術、及びたんぱく質の振舞いを研究することにより薬品を設計したりする技術に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るナノチューブ構造体３０の外観斜視図である。
【図２】図１に示すナノチューブ構造体３０の一点鎖線２に沿った断面の断面図である。
【図３】ＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。
【図４】ナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
３０ ナノチューブ構造体
３２ ガラス容器
３４ キナーゼナノチューブ
３６，４０ マイクロリアクタ
３８ ＧＴＰアーゼナノチューブ
４２ ポルフィリンナノチューブ
４４ 内部ガラス面
５０，５２ パイプ
５４ 電流ガイド
６２ ＧＥＦ／ＧＡＰ
６４ ＧＴＰ結合タンパク質
８０ キナーゼ
８２ キナーゼカスケード
９０ ホスファターゼ
９８ ポルフィリン金属錯体
１０４ シグナル伝達分子複合体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体物質内における所定のシグナル伝達物質の活性及び不活性を制御するステップと、
前記所定のシグナル伝達物質の活性化又は不活性化に応答する、当該所定のシグナル伝達物質の標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応により電子の移動を発生させるステップと、
前記電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知するステップとを含む、生体物質内の反応検知方法。
【請求項２】
生体物質内における所定のシグナル伝達物質を保持する第１のマイクロリアクタと、
前記第１のマイクロリアクタに対して当該シグナル伝達物質の活性及び不活性を制御する所定の制御物質を投入するための制御物質投入手段と、
前記第１のマイクロリアクタとの間での前記生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、前記シグナル伝達物質の標的分子を保持する第２のマイクロリアクタと、
前記第２のマイクロリアクタとの間での電子の授受が可能なように設けられ、前記制御物質投入手段により前記第１のマイクロリアクタに前記所定の制御物質が投入されたことに応答して、前記第２のマイクロリアクタ内において生ずる前記標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するための電流検知手段とを含む、生体物質内の反応制御装置。
【請求項１】
生体物質内における所定のシグナル伝達物質の活性及び不活性を制御するステップと、
前記所定のシグナル伝達物質の活性化又は不活性化に応答する、当該所定のシグナル伝達物質の標的分子のリン酸化反応又は脱リン酸化反応により電子の移動を発生させるステップと、
前記電子の移動をポルフィリン金属錯体の薄膜で検知するステップとを含む、生体物質内の反応検知方法。
【請求項２】
生体物質内における所定のシグナル伝達物質を保持する第１のマイクロリアクタと、
前記第１のマイクロリアクタに対して当該シグナル伝達物質の活性及び不活性を制御する所定の制御物質を投入するための制御物質投入手段と、
前記第１のマイクロリアクタとの間での前記生体物質内におけるシグナル伝達が可能なように設けられ、前記シグナル伝達物質の標的分子を保持する第２のマイクロリアクタと、
前記第２のマイクロリアクタとの間での電子の授受が可能なように設けられ、前記制御物質投入手段により前記第１のマイクロリアクタに前記所定の制御物質が投入されたことに応答して、前記第２のマイクロリアクタ内において生ずる前記標的分子の活性化及び不活性化により発生する電子の移動を検知するための電流検知手段とを含む、生体物質内の反応制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２３８７７７（Ｐ２００６−２３８７７７Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５８３９２（Ｐ２００５−５８３９２）
【出願日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「人間情報コミュニケーションの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「人間情報コミュニケーションの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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