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研究成果

専門書

バイオ医薬品製造の効率化と生産基材の開発エヌ・ティー・エス出版から、『進化分子工学(伏見譲監修)』が発刊されました(2013.10)。本田研究グループ長と渡邊主任研究員が「進化分子工学による構造と機能の共創出」の章を分筆しています。

バイオ医薬品製造の効率化と生産基材の開発シーエムシー出版から、『次世代に向けた抗体医薬品開発の技術と展望(熊谷泉監修)』が発刊されました(2012.12)。本田研究グループ長と馮研究員が「統計的スクリーニング法によるタンパク質医薬品の製剤設計」の章を分筆しています。

抗体医薬品の開発と市場シーエムシー出版から、『抗体医薬品の開発と市場』が発刊されました(2012.7)。本田研究グループ長が「抗体医薬品の精製技術」の章を分筆しています。

バイオ医薬品製造の効率化と生産基材の開発シーエムシー出版から、『バイオ医薬品製造の効率化と生産基材の開発(山口照英監修)』が発刊されました(2012.4)。本田研究グループ長が「抗体精製用アフィニティーリガンドの論理的改変」の章を分筆しています。

プレスリリース

  1. 分子をデザインしてタンパク質の安定性と親和性を向上 (2010.3.17)

*この発表に関する記事が新聞等に掲載されました。

  1. 抗体のアフィニティ精製が数分で可能に −治療用抗体の開発に貢献− (2009.1.21)

*NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)からのプレスリリース。

  1. 10個のアミノ酸からなる人工タンパク質の結晶構造を解明 (2008.10.27)

*この発表に関する記事が新聞等に掲載されました。

  1. 抗体医薬を精製する高性能クロマトグラフィー用ビーズを開発 (2007.9.11)

*この発表に関する記事が新聞等に掲載されました。

  • フジサンケイビジネスアイ 平成19年9月11日付 「抗体医薬を効率抽出/産総研とASC-SI/修飾分子で新技術」
  • 日刊工業新聞 平成19年9月11日付 「抗体医薬精製クロマトグラフィー用高結合能力ビーズ/産総研などが開発」
  • 日経産業新聞 平成19年9月13日付 「抗体医薬品/たんぱく質効率精製/産総研とASCエスアイテック/専用粒子を開発」

  1. 10個のアミノ酸からなる「最小のタンパク質」の創製に成功 (2004.8.10)

*この発表に関する記事が以下の新聞等に掲載されました。

  • Yahoo!ニュース(共同通信配信) 平成16年8月10日付 「最小のタンパク質合成に成功」
  • gooニュース(共同通信配信) 平成16年8月10日付 「最小のタンパク質を合成 生命発生解明の手掛かりに」
  • 時事通信社 JIJI PRESS NEWS 平成16年8月10日付 「世界最小のたんぱく質合成=生命起源解明や薬品開発に期待」
  • asahi.com 平成16年9月8日付 「『世界最小』のたんぱく質を設計・合成」
  • 日刊工業新聞 平成16年8月10日付 「産総研『最小たんぱく質』実現」
  • 化学工業日報新聞 平成16年8月10日付 「最小サイズのたん白質」
  • 日本農業新聞 平成16年8月10日付 「世界最小たんぱく質合成」
  • 茨城新聞  平成16年8月10日付 「最小のタンパク質合成」
  • 朝日新聞 平成16年9月8日付 「世界最小たんぱく質合成」

論文

  1. Yageta S, Shibuya R, Imamura H, Honda S "Conformational and Colloidal Stabilities of Human Immunoglobulin G Fc and Its Cyclized Variant: Independent and Compensatory Participation of Domains in Aggregation of Multidomain Proteins" Molecular Pharmaceutics, 14(3):699-711 (2017).
  2. Imamura H, Honda S "Calibration-free concentration analysis for an analyte prone to self-association" Analytical Biochemistry, 516, 61-64 (2017).
  3. Imamura H, Honda S "Surface plasmon resonance biosensing of the monomer and the linked dimer of the variants of protein G under mass transport limitation" Data in Brief, 9, 917-921 (2016).
  4. Fukuda N, Kaishima M, Ishii J, Kondo A, Honda S "Continuous crossbreeding of sake yeasts using growth selection systems for a-type and α-type cells" AMB Express, 6(1), 1-12 (2016).
  5. Watanabe H, Yageta S, Imamura H, Honda S "Biosensing Probe for Quality Control Monitoring of the Structural Integrity of Therapeutic Antibodies" Analytical Chemistry, 88 (20), 10095-10101 (2016).
  6. Imamura H, Honda S "Kinetics of Antibody Aggregation at Neutral pH and Ambient Temperatures Triggered by Temporal Exposure to Acid" Journal of Physical Chemistry B, 120 (36), 9581-9589 (2016).
  7. Watanabe, H., Honda, S. "Adaptive Assembly: Maximizing the Potential of a Given Functional Peptide with a Tailor-Made Protein Scaffold." Chemistry and Biology, 22(9), 1165-1173 (2015).
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  133. Shimizu, et al., Expression, Purification, ATPase Properties, and Microtubule-Binding Properties of the ncd Motor Domain. Biochemistry (1995).
  134. Iwahashi, et al., The Correlative Evidence Suggesting that Trehalose Stabilizes Membrane Structure in the Yeast Saccharomyces cerevisiae. Cellular and Molecular Biology (1995).
  135. Shimizu, et al., Inhibitors of the Dynein ATPase and Ciliary or Flagellar Motility. Methods in Cell Biology (1995).
  136. Shirakawa, et al., The Mode of ATP-Dependent Microtubule-Kinesin Sliding in the Auxotonic Condition. The Journal of Experimental Biology (1995).
  137. Vonderviszt, et al., Structural Organization and Assembly of Flagellar Hook Protein from Salmonella typhimurium. Journal of Molecular Biology (1995).
  138. Kobayashi, et al., Complement Assembly of Two Fragments of the Streptococcal Protein G B1 Domain in Aqueous Solution. FEBS Letters (1995).
  139. Suzuki, et al., Transient Activation and Tyrosine Phosphorylation of a Protein Kinase in TobaccoCells Treated with a FungalElicitor. The Plant Cell (1995).
  140. Shinshi, et al., Identification of an Ethylene-responsive Region in thePromoter of a Tabacco Class I Chitinase Gene. Plant Molecular Biology (1995).
  141. Kyotani, et al., Higher-order Structure and Thermal Transition Behaviour of Poly (di-n-hexylsilane). Polymer (1995).

総説・著書

  1. 本田真也 「バイオ医薬品の不均一性評価」、『HPLC,GCの測定条件設定テクニックと解析 事例集』、p216-217、技術情報協会 (2016).
  2. 本田真也 「バイオ医薬品の保存安定性評価」、『HPLC,GCの測定条件設定テクニックと解析 事例集』、p218-219、技術情報協会 (2016).
  3. 本田真也 「バイオ医薬品製造の精製技術と求められる固定相」、『吸着・分離材料の設計、性能評価と新しい応用」、技術情報協会 (2015).
  4. 本田真也 「バイオ医薬品の品質分析技術の課題と展望(後編)」、ファームテックジャパン, 30(13), 2557-2560 (2014).
  5. 本田真也 「バイオ医薬品の品質分析技術の課題と展望(前編)」、ファームテックジャパン, 30(12), 2349-2355 (2014).
  6. 本田真也、渡邊 秀樹 「進化分子工学による構造と機能の共創出」、『進化分子工学の最前線』、p213 、シーエムシー (2012)
  7. 富井健太郎、本田真也 「クロスプロファイル解析において同定されたタンパク質セグメントの収斂進化」、日本生物物理学会, 53(2), 101-102 (2014).
  8. 本田真也、馮 延文 「統計的スクリーニング法によるタンパク質医薬品の製剤設計」、『次世代に向けた抗体医薬品開発の技術と展望』、242、シーエムシー (2012)
  9. 本田真也 「抗体医薬品の精製技術」、『抗体医薬品の開発と市場』、p55、シーエムシー (2012)
  10. 本田真也 「抗体精製用アフィニティーリガンドの論理的改変」、山口照英監修、『バイオ医薬品製造の効率化と生産基材の開発』、p.226-238、シーエムシー (2012)
  11. 本田真也 「抗体医薬品の精製プロセス─プロテインAアフィニティクロマトグラフィー」、『バイオ/抗体医薬品・後続品におけるCMC研究・申請と同等性確保』、p.149-172、サイエンス&テクノロジー (2011)
  12. 広田 潔憲、本田 真也、巌倉 正寛、抗体医薬品のためのテーラーメイド精製技術開発、ケミカルエンジニアリング, 56, 45-51 (2011).
  13. 高橋 聡, 石島 秋彦, 大木 和夫, 木下 賢吾, 鈴木 誠, 新村 信雄, 本田 真也, 若槻 壮市「災害を経験した生物物理研究室 」生物物理, 51(4),192-195 (2011).
  14. 本田真也, 有坂文雄, 江島大輔「バイオ医薬の品質分析概論 後編」ファームテックジャパン, 27(3), 481-489 (2011).
  15. 本田真也, 有坂文雄, 江島大輔「バイオ医薬の品質分析概論 前編」ファームテックジャパン, 27(2), 259-267 (2011). バイオロジカルズ製造の最適化を目指して:テーラーメイド精製技術プラットホーム.
  16. 渡邊秀樹, 本田真也「分子デザインによる抗体精製用蛋白質プロテインGの安定性およびpH応答性の論理的改変」月刊バイオインダストリー, 27(12), 72-78 (2010).
  17. 巌倉正寛、広田潔憲、本田真也「バイオ医薬の製造技術について考える」ファームテックジャパン, 26(12), 29-33 (2010).
  18. 本田真也「タンパク質のミニマムデザイン:スーパーシニョリンの構造とゆらぎ」生物物理, 49, 126-129 (2009).
  19. 本田真也「小さな球状蛋白質の相転移」、日本熱測定学会編「熱量測定・熱分析ハンドブック 第2版」丸善, pp.295 (2009).
  20. 巌倉正寛、曽田裕行、広田潔憲、本田真也「バイオロジカルズ製造の最適化を目指して:テーラーメイド精製技術プラットホーム」ケミカルエンジニヤリング, 51, 577-583, (2006).
  21. 本田真也「小さなタンパク質の構造相転移を解析する」, 熱測定, 32, 169-177, (2005).
  22. 本田真也「タンパク質の最小構成単位を探る」, 化学と工業, 58, 940-943, (2005).
  23. 本田真也「アミノ酸10個の“蛋白質”、シニョリンの発見」, 蛋白質核酸酵素, 50, 427-433, (2005).
  24. 本田 真也「最小のタンパク質を創る」,AIST Today,4(11),19-19 (2004).
  25. 本田真也「ドメイン下層のタンパク質階層性 -プロテインGとGペプチドのフォールディング研究から-」,生物物理,42(4),174-178 (2002).
  26. 本田 真也「決定論の生物学と確率論の生物学-タンパク質のフォールディング研究から」,生命研ニュース,8,5-5 (2000).
  27. 本田真也「分子解剖法によるプロテインGの構造形成原理の解明−タンパク質をどこまで小さくすることができるか」,酵素工学ニュース,45,5-10 (2001).

データベース・ソフトウエア

  1. ProSeg -a database of local structures of protein segments, http://riodb.ibase.aist.go.jp/proseg/

 

 

小型バイオ医薬品創薬を支援するリサーチツール

この発明は、がん抗原などの標的に対して高い親和性と特異性を示す小型の人工タンパク質を創製する技術です。25〜60アミノ酸からなる短いポリペプチドでありながら安定な立体構造を形成する能力を付与できるので、安価な製造と高い標的識別能を両立させることが可能です。抗体代替分子創製技術の一つに相当します。この発明の特徴は、あたかも粘土細工のように部分を段階的に組み上げていくことで、低親和性ペプチドを高親和性タンパク質に変化させる点です。バイオ医薬品や検査診断薬開発のためのリサーチツールとしての活用を想定しています。
Watanabe, and H., Honda, S. "Adaptive Assembly: Maximizing the Potential of a Given Functional Peptide with a Tailor-Made Protein Scaffold." Chemistry and Biology, 22(9), 1165-1173 (2015).

アダプティブアセンブリ

> 小型バイオ医薬品創薬を支援するリサーチツール

 

アルブミン結合性ヒト型タンパク質のデザイン

血清アルブミン結合タンパク質であるFinegoldia magna由来GA moduleとヒト血清アルブミン(HSA) の複合体結晶構造をもとに、下記の方法によって、新規の血清アルブミン結合性ヒト型タンパク質を設計した。(1)HSAへの結合に寄与するGA moduleの2本のへリックス構造と類似した部位をもつヒトタンパク質の検索、 (2)ヒトタンパク質の側鎖の溶媒露出面積 (ASA) 比の解析、変異導入によるフォールディング自由エネルギー変化の予測、(3)前記に基づくヒトタンパク質の変異導入箇所の決定とHSA接触残基の導入。設計したヒト型タンパク質hAC_15mはHSAに対し特異的な結合活性を示し、13残基の変異導入にも関わらず、二次構造が変異導入前と同様であることが確認された。さらに、HSA結合残基を2つ追加したhAC_17mは、HSAに対しより高い親和性を示した。結合阻害試験の結果から、hAC_17mはGA moduleと同様のHSA結合部位をもつことが確認された。また、熱力学的解析から、hAC_17m-HSA間結合にはエンタルピー・エントロピーの双方が結合に寄与しており、この熱力学的特徴はGA module-HSA間結合においても同様であることが確認された。これらの結果は、タンパク質複合体の結合界面、結合界面を模倣する足場となるヒトタンパク質の側鎖のASA比、変異導入による安定性変化の予測などの情報を活用することで、本来の二次構造を維持しながらGA moduleのHSA結合界面・結合様式をヒトタンパク質上で模倣させることに成功したことを示している。
Oshiro S, and Honda, S. : Imparting Albumin-Binding Affinity to a Human Protein by Mimicking the Contact Surface of a Bacterial Binding Protein. ACS Chemical Biology, 9, 1052-1060 (2014).

プロテイン・グラフティングのコンセプト

> 細菌由来血清アルブミン結合タンパク質の結合様式を模倣したアルブミン結合性ヒト型タンパク質のデザイン

 

タンパク質の論理的分子デザイン

タンパク質工学分野における効率的研究開発を支援する技術。コンピュータを用いたアミノ酸の合 理的改変により、立体構造が既知の任意のタンパク質を低リスクで安定化することができる。本技 術は、産総研で考案された「自律要素最適化アルゴリズム」を基盤とするもので、変異すべき部位 を特定するプログラムと置換するアミノ酸の種類を選択するプログラムから構成されている。同様 の目的の従来手法に比べて、安定化の成功率が高く、アミノ酸置換が及ぼす機能と構造の変化を最 小限に抑えることができる。本技術を、治療用抗体の生産コスト低減に寄与することが期待される、 抗体結合性タンパク質・プロテインGに適用したところ、本来の抗体結合機能を全く損なわずに、 熱安定性、変性剤に対する化学的安定性、および蛋白分解酵素に対する耐性が向上した変異型タン パク質の合成に成功した。

本技術の概要

 

世界最小タンパク質の分子設計と結晶構造

独自のアルゴリズムに基づいて、10個のアミノ酸で構成される新規のペプチド・シニョリンを設計・合成し、このペプチドが水溶液中で安定な立体構造を形成すること、及び、昇降温に伴い可逆的かつ協同的に変性/再生することを証明した。また、シニョリンの配列を最適化した安定化変異体・スーパーシニョリンも開発し、その結晶構造の決定にも成功した。これらのペプチドは、自然界に現存するタンパク質に比べて極端に小さい。しかし、固有の立体構造と協同的な構造転移は、タンパク質が機能するための不可欠な要件であることから、この2点で判断すれば、合成したペプチドを最小のタンパク質と呼ぶこともできる。この研究成果により、タンパク質の安定化機構、フォールディング、分子設計研究の進展が今後加速するとともに、生命起源の研究へも大きな影響を及ぼすことが期待される。
Honda S, Yamazaki K, Sawada, Y, Morii H: 10-residue folded peptide designed by segment statistics. Structure, 63, 22-28 (2004).
Honda, S., Akiba, T., Kato, Y.S., Sawada, Y., Sekijima, M., Ishimura, M., Ooishi, A., Watanabe, H., Odahara, T. and Harata, K.: Crystal Structure of a Ten-Amino Acid Protein. Am. Chem. Soc., 130, 15327-15331 (2008).

極微小タンパク質・シニョリンの溶液構造

> 最小のタンパク質を創る (AIST Today)

安定化変異体・スーパーシニョリンの結晶構造

> タンパク質のミニマムデザイン (生物物理)

 

ProSeg−タンパク質局所構造データベース

タンパク質分子の部分構造を網羅的に分類、整理したデータベース、PrpSegを開発しました。7万以上のセグメントが主鎖の構造類似性にしたがって数千個程度のクラスタに分類されています。ユーザーは任意の構造情報をを入力することによって、最近接のクラスタを検索することが出来ます。人工タンパク質の設計研究等に有用な基盤情報を提供することが期待されます。
Sawada, Y., Honda, S.: ProSeg: a database of local structures of protein segments. J. Comput. Aided Mol. Des., 23(3), 163-169(2009).

ProSeg画面

 

タンパク質セグメントはべき乗則に従い分布する

タンパク質の短鎖セグメントの構造多様性を網羅的なクラスタリングと統計言語学的手法により解析した。これは、短鎖セグメントをタンパク質の「単語」と見立てて、これに自然言語学分野の統計情報論的分析手法を適用することで、短鎖セグメントの頻度、分布、相関、内部構造等を解析し、「単語」に相当する断片と「文」に相当する分子全体との関係を理解し、ロバストな配列-構造-安定性相関を導くことを目指すものである。具体的には、公共データベースから得られるタンパク質の構造データをコンピュータ内で仮想的に分断し、得られる数十万の短鎖セグメントをそれらの構造類似度にもとづいて分類するクラスタリング手法の開発とプログラミング、多次元空間に位置する各分類データを可視化するための主成分分析をもちいた投影法の開発と構造空間へのマッピング、分類データの頻度および分布の解析、各々の分類クラスタの配列特性および構造特性の解析等を行った。それらの結果、存在するセグメントの構造は、セグメントが作りえる広大な構造空間のごく一部にしか存在しないこと、その分布の状態は、宇宙における銀河の存在のように粗密な状態であること、存在の頻度分布はべき乗則に従うことなどが明らかになった(下図)。非常に興味深いことに、これらの特徴はすべて、自然言語の構造体系と酷似するものであった。この発見は、タンパク質の構造形成(フォールディング)は「作文」と同じ要領で実現し、加えてタンパク質の安定性の向上は「作文」の上達と同様の手法で導くことが可能であることを示唆している。
Sawada, Y., Honda, S.: Structural diversity of protein segments follows a power-law distribution. Biophysical J., 91(4), 1213-1223(2006).

タンパク質構造の構造体系は、言語の構造体系と酷似している

 

シングルドメインタンパク質・プロテインGの構造階層性

哺乳類の免疫グロブリンに結合活性を有するプロテインG-B1の分子解剖解析により、N端側の40残基フラグメントPGB1(1-40)とC端側の16残基フラグメントPGB1(41-56)が特異的に会合することを発見した。会合により生じた複合体は、元のプロテインG-B1と同様の二次構造を形成していること、少なくとも部分的な三次構造も同様であることを明らかにした。さらに、この複合体を構成する個々のフラグメントについて構造熱力学的検討を行い、短鎖のPGB1(41-56)が単独でβヘアピン構造を形成し、その構造変化過程が一次相転移現象であることを明らかにした。一方、鎖長の長いN末側のPGB1(1-40)では、同様の解析において規則的構造の形成の痕跡は見出せなかった。元のプロテインG-B1のPGB1(41-56)に相当する部分はβヘアピン構造であることから、この結果は、プロテインG-B1が折りたたまれる際に、まずC端側のセグメントが独立に天然と同じ構造を形成し、ついで残りのセグメントと相互作用し全体構造が形成されるという階層的構造形成機構を示唆した(PGB1(41-56)の特性に鑑み、このフラグメントをあらたにGペプチドと命名)。
本田真也 "ドメイン下層のタンパク質階層性 −プロテインGとGペプチドのフォールディング研究から−", 生物物理, 42(4), 174-178 (2002).

極微小タンパク質・シニョリンの立体構造

> ドメイン下層のタンパク質階層性 (生物物理)

   

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