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新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)と結合する人工DNAアプタマーの開発に成功

~エアロゾルに含まれるウイルス検知が可能な空間モニタリング装置の実現に向けて~

2021年5月6日
日本電気株式会社
NECソリューションイノベータ株式会社

NECとNECソリューションイノベータは、新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)と結合する人工DNAアプタマー(注1、以下 アプタマー)の開発に成功しました。
今後NECグループでは、アプタマーを用いた空間モニタリング事業の推進に向けて、新型コロナウイルスに限らず、インフルエンザウイルスなど様々なウイルスが浮遊する空間をモニタリングできる計測装置を含む、新たなバイオセンシングシステムの実現を目指します。

今回開発に成功したアプタマーについて

新型コロナウイルスは、ウイルス表面にあるスパイクタンパク質のRBD(受容体結合ドメイン、注2)がヒト細胞の表面にあるACE2受容体(注3)に結合することで、ヒトの細胞に侵入します。

図1 ウイルス表面にあるスパイクタンパク質のRBD

今回開発したアプタマーは、感染の鍵となるRBDを標的としており、RBDの立体構造を認識し非常に強く結合(注4、分子間の結合の強さを示す解離定数が1nM以下)することで、ウイルスを捕捉します。このアプタマーは、Base appended Baseという特徴のある新しい修飾塩基(注5、特許第6763551号)を用いており、2014年にNECソリューションイノベータと国立大学法人群馬大学で採択された独立行政法人 科学技術振興機構(JST)の「研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)」の研究をさらに発展させたものです。
今回のアプタマー開発では、現在、NECグループと共同研究中の学術研究機関が保有する新型コロナウイルスのオリジナル株(WK521 武漢株)、変異株(TY7-501 ブラジル株、QK002 UK株)の全3株のウイルスを用いて、新型コロナウイルスの取扱いが可能なバイオセーフティレベル3 (注6、以下BSL3)の実験室でアプタマーとの結合評価試験を実施しました。
結合評価試験は、ウイルスをプレートに吸着させ、酵素標識したアプタマーで検出するDirect ELAA法で行いました(注7)。その結果、全3株に対しアプタマーと新型コロナウイルスとの強い結合が認められました。

今後の展望

MSS(注8、膜型表面応力センサー)と、新型コロナウイルスと結合するアプタマーとの組み合わせで新型コロナウイルスの空間モニタリングを可能とする計測装置の開発も行っています。この計測装置は、公共施設、飲食施設、宿泊施設、イベント会場、オフィスなど人が密に集まって過ごすような空間での活用を想定しています。2021年度に据え置き型の空間モニタリング計測装置のプロトタイプを、ウイルス計測などを行う事業者、大学等の研究機関向けに提供開始予定で計画中です。また、2022年度には、空調機などへの組み込み装置としての提供や空間モニタリングを可能とするバイオセンシングシステムの提供を目指します。

図2 MSSアプタマーバイオセンサーの仕組み(開発中)

また、NECグループは、アプタマーを安定で量産可能な次世代のバイオセンサーとして展開していきます。今回開発した新型コロナウイルスに強く結合するアプタマーは、新型コロナウイルスが効率よく感染し増殖するとされるアフリカミドリザル腎臓上皮細胞由来のTMPRSS2発現Vero E6細胞(注9)に対し、弱いながらも感染阻害力を有することが認められました。今後、2021年度の共同研究を通じ、アプタマーを改良しながら、より強い感染阻害力を持つアプタマー開発を加速していきます。これにより、抗ウイルス薬としての可能性も追求していきます。

NECグループは、「NEC Safer Cities」(注10)実現に向けて、最先端のICTとバイオテクノロジーを駆使し、人が活き活きと暮らすことができる社会を目指します。

以上

  • (注1)
    アプタマー:
    ウイルスやタンパク質などの特定の標的分子の立体構造を認識し、特異的に結合する核酸(DNAやRNA)のこと。 検査対象物にだけ強く結合する配列を探し出す技術(SELEX)により人工的に作製することが可能
    https://www.nec-solutioninnovators.co.jp/rd/thema/aptamer/index.html
  • (注2)
    RBD:Receptor Binding Domainの略
    SARS-CoV-2 Sタンパク質は、細胞上に発現しているACE2(angiotensin-converting enzyme 2)を認識して結合。RBDとは、このSタンパク質上のACE2結合部位を含むドメインのこと
  • (注3)
    ACE2受容体:
    ACE2(Angiotensin-converting enzyme 2、アンジオテンシン変換酵素II)は、血管収縮やホルモン分泌により血圧上昇に寄与する人体に重要な受容体である。その一方で、ヒトコロナウイルスSARS-CoVおよびSARS-CoV-2がACE2に接着することで細胞内に侵入することが報告されており、宿主受容体になっている。
  • (注4)
    解離定数と単位:
    化学、生化学、薬理学において、解離定数(Kd値)は、複合体がその構成分子へとばらばらになる時、あるいは塩がその構成イオンへと分かれる時に、より大きな方の対象物がより小さな構成要素へと可逆的に分離(解離)する傾向を測る特殊な平衡定数である。
    解離定数はモル(1mol(モル)とは、6.02×10^23個の集団のことを表しており、例えば、コップ1杯(約180g)の水には、約10molの水分子(H2O)を含む物質量のこと)濃度単位 (M) を持ち、解離定数が小さくなるとリガンド(生体分子と複合体を形成して生物学的な目的を果たす物質のこと。薬剤など表す)はよりしっかりと結合する。例えば、ナノモーラー[10-9 (nM) ]オーダーの解離定数を有するリガンドは、マイクロモーラー[10-6 (μM) ]オーダーの解離定数を有するリガンドよりも特定のタンパク質によりしっかりと結合し、ピコモーラー[10-12(pM)]より小さい解離定数は稀である。
  • (注5)
    特許第6763551号:
    DNAの反応性や構造多様性を高めるため、天然型のDNA塩基にさらに塩基を付加した新しい修飾塩基
  • (注6)
    バイオセーフティレベル:
    細菌・ウイルスなどの微生物・病原体等を取り扱う実験室・施設の格付けのこと。WHO(世界保健機関)が制定した Laboratory biosafety manual(日本語訳:実験室生物安全指針)に基づき、各国で病原体の危険性に応じて4段階のリスクグループが定められており、それに応じた取り扱いレベル(バイオセーフティーレベル)が定められている。日本では、厚生労働省所管の国立感染症研究所が、国立感染症研究所病原体等安全管理規定(第三版)の別表2・別表3 (p. 19-36) において日本国独自のリストを作成。特に別表3は感染症法の定める特定病原体などをリスク分類しており、SARSコロナウイルスはリスクグループ3とされており、BSL3での取り扱いが規定されている。
  • (注7)
    Direct ELAA (Enzyme-Linked Aptamer Assay)
    プレートに検出したい標的タンパク質やウイルスを吸着させ、西洋わさびペルオキシダーゼ(HRP)やアルカリフォスファターなどの酵素をアプタマーに付加した試薬で、酵素活性により検出する方法。
  • (注8)
    MSSセンサー:
    単一のデバイスでさまざまなニオイをかぎ分け、多用途に利用できる、超小型・高感度センサー。ニオイを人間や機械が理解できる情報(ニオイデータ)に変換することができる。
    https://jpn.nec.com/rd/technologies/smell_datamining/index.html
    感応膜に分子が吸着すると、感応膜に応力が生じてメンブレンを変形させるため、ブリッジに埋め込まれたピエゾ抵抗素子の電気抵抗が大きく変化。この電気抵抗の変化を計測することで、対象の分子を検知。本来は、ガス(気相)を吸着する感応膜利用が一般的。今回、NECは液相でウイルスに結合する感応膜を生成している。
  • (注9)
    TMPRSS2発現Vero E6細胞:
    呼吸器上皮に発現している宿主のタンパク分解酵素のひとつ。
    この酵素((TMPRSS2)遺伝子導入技術によって恒常的に発現させたVeroE6細胞を用いることで、SARS-CoV-2を効率よく分離・増殖できる
  • (注10)
    NEC Safer Cities:
    生体認証や映像解析を含むAI、IoT関連の先端技術を活用して、安全・安心で効率・公平な都市の実現を支えるNECの事業領域。人々がより自由に、個人の能力を最大限に発揮して豊かな生活を送ることのできる社会の実現に貢献。
    https://jpn.nec.com/safercities/index.html

本件に関するお客様からのお問い合わせ先

NEC クロスインダストリー事業開発本部
MSSアプタマーバイオセンサー開発チーム
E-Mail:qa_bvd@ciu.jp.nec.com

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NECは、安全・安心・公平・効率という社会価値を創造し、
誰もが人間性を十分に発揮できる持続可能な社会の実現を目指します。
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