[論文レビュー] Carbon Nanotubes as Intracellular Protein Transporters: Generality and Biological Functionality

Nadine Wong Shi Kam, Hongjie Dai|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2005

Graphene and Nanomaterials Applications被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、酸化処理を施した単層カーボンナノチューブ（SWNT）が、疎水性相互作用を介して多様なタンパク質を非共有結合で結合させ、エンドサイトーシス経路を介して哺乳類細胞へ効率的に輸送できることを示している。内部化後、エンドソームから放出されたタンパク質-ナノチューブコンジュゲートは、アポトーシスを誘導するシトクロム c の機能的輸送によって、生物学的活性を保持していることが確認された。

ABSTRACT

Various proteins adsorb spontaneously on the sidewalls of acid-oxidized single-walled carbon nanotubes. This simple non-specific binding scheme can be used to afford non-covalent protein-nanotube conjugates. The proteins are found to be readily transported inside various mammalian cells with nanotubes acting as the transporter via the endocytosis pathway. Once released from the endosomes, the internalized protein-nanotube conjugates can enter into the cytoplasm of cells and perform biological functions, evidenced by apoptosis induction by transported cytochrome c. Carbon nanotubes represent a new class of molecular transporters potentially useful for future in-vitro and in-vivo protein delivery applications.

研究の動機と目的

• カーボンナノチューブを多様なタンパク質の非共有結合的細胞内輸送担体として利用可能かどうかを調査すること。
• タンパク質-ナノチューブコンジュゲートが生物学的機能を失うことなく、哺乳類細胞に取り込まれるかどうかを特定すること。
• 異なるタンパク質種において、酸化処理を施した SWNT へのタンパク質吸着の一般性を評価すること。
• エンドソームからの放出後のタンパク質の細胞内局在と機能的活性を評価すること。
• カーボンナノチューブを in vitro 及び in vivo タンパク質輸送用途の新規プラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 親水性および表面電荷の向上を目的として、酸化処理を施した機能化単層カーボンナノチューブ（SWNT）を調製した。
• タンパク質を SWNT とインキュベートすることで、ナノチューブ側面への自発的で非共有結合的な吸着を促進した。
• 蛍光標識タンパク質を用いて、蛍光顕微鏡および流式細胞計数による細胞内取り込みを確認した。
• 薬理学的阻害剤および共焦点顕微鏡を用いてエンドソーム内移動のトラッキングを行い、エンドサイトーシスの妥当性を検証した。
• 内部化後の細胞質へのコンジュゲート局在を観察することで、エンドソームからの放出を評価した。
• シトクロム c を輸送し、処理細胞におけるアポトーシス誘導の測定によって、機能的活性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幅広いタンパク質が酸化処理を施した SWNT に非共有結合で結合可能か？
• RQ2 タンパク質-ナノチューブコンジュゲートはエンドサイトーシス経路を介して哺乳類細胞に効率的に取り込まれるか？
• RQ3 エンドソームからの放出後、内部化されたタンパク質は生物学的活性を保持しているか？
• RQ4 細胞内取り込み後のタンパク質-ナノチューブコンジュゲートの細胞内動態はいかなるものか？
• RQ5 本系により、シトクロム c のような生物学的活性を有するタンパク質の機能的輸送が可能か？

主な発見

• シトクロム c を含む多様なタンパク質が、非共有結合的相互作用を介して酸化処理を施した単層カーボンナノチューブの側面に自発的に吸着する。
• タンパク質-ナノチューブコンジュゲートは、複数の哺乳類細胞株においてエンドサイトーシス経路を介して効率的に内部化される。
• エンドソームからの放出後、タンパク質は細胞質に放出され、機能的活性を保持したままである。
• SWNT を用いたシトクロム c の機能的輸送により、処理細胞でアポトーシスが有意に誘導された。これは輸送後の生物学的活性を確認するものである。
• 本系は一般性を示しており、複数のタンパク質が同様の結合および輸送挙動を示した。
• 本手法により、タンパク質の化学修飾を要せず、効率的かつ非共有結合的かつ機能的タンパク質輸送が可能である。