Development of Molecular Actuation Systems for Minimal Artificial Brain

• Project Area: Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
• Project/Area Number: 20H05972
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 葛谷 明紀 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00456154)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瀧口 金吾 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (20262842) ; 上杉 薫 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (20737027) ; コビル アリフ 北海道大学, 理学研究院, 特任講師 (10724867)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥187,200,000 (Direct Cost: ¥144,000,000、Indirect Cost: ¥43,200,000); Fiscal Year 2024: ¥39,000,000 (Direct Cost: ¥30,000,000、Indirect Cost: ¥9,000,000); Fiscal Year 2023: ¥39,000,000 (Direct Cost: ¥30,000,000、Indirect Cost: ¥9,000,000); Fiscal Year 2022: ¥39,390,000 (Direct Cost: ¥30,300,000、Indirect Cost: ¥9,090,000); Fiscal Year 2021: ¥38,220,000 (Direct Cost: ¥29,400,000、Indirect Cost: ¥8,820,000); Fiscal Year 2020: ¥31,590,000 (Direct Cost: ¥24,300,000、Indirect Cost: ¥7,290,000)
• Keywords: 分子モーター / DNA / 化学エネルギー / リポソーム

Outline of Research at the Start

本研究ではミニマル人工脳を構成する３種のニューロイド（人工細胞リポソーム）のうち、「変形」およびその結果としての「他SPAユニットとの二次的接続」を担うアクチュエータニューロイド（Aユニット）の構築を行い、SPAユニットネットワークの「展開」を実現する。このために、トランスデューサを介した外部シグナルに応答してリポソーム全体の球形から楕円形への大変形や、長大な突起の伸長を誘導するニューロイド駆動システムを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではミニマル人工脳を構成する3種のニューロイド(人工細胞リポソーム)のうち、「変形」およびその結果としての「他SPAユニットとの二次的接続」を担うアクチュエータニューロイド（Aユニット）の構築を行い、SPAユニットネットワークの「展開」を実現することを目的としている。
葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として、リポソーム変形にかわる別の手段として、DNAの分子情報によって制御された生物発光を利用する系を開発しており、これの最適化を行った。具体的には、DNA末端で再構築したスプリット発光タンパクからのエネルギーを、DNAに配列化した蛍光分子間のエネルギ移動を介して伝送していく系を構築すると共に、DNAに結合した蛍光染色試薬をメディエーターとして活用することで20 nm程度まで長距離伝送することに成功した。加えて、リポソーム膜に電荷的にDNAオリガミ構造体を結合する条件を確立し、溶液の浸透圧変化に応答したリポソーム変形を実現した。
瀧口はSPA3連リポソーム配列用デバイスに捕捉した状態での、アクチン線維を封入したリポソームの変形の誘導およびその操作のための条件検討を行った。
上杉はマイクロピペット吸引法システムに関して、システムを半閉鎖系にし、試料の熱対流を抑えることを検討した。また、併せてシステム全体を最適化するための改良も行った。マイクロ流体デバイスシステムに関しては、より効率的に実験ができるよう流路を改良した。また、圧力や流量をより精密に制御できるようシステムの改良も行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

DNAオリガミの結合にともなうリポソーム変形機構の開発に成功し、当初の目標であった「DNA分子情報をトリガーとしたリポソームの変形誘導」の達成にめどがたった。

Strategy for Future Research Activity

葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として開発したDNA足場多色生物発光素子の最適化を完了する。具体的には、リポソーム膜を介した光エネルギー伝送系を構築し、リポソーム内外の状態変化に応じて、リポソーム膜を超えて光信号で情報伝達するシステムを確立する。加えて、リポソーム膜に結合したDNAオリガミによる変形誘導の系についても、分子信号による制御を試みると共に、その機構の解明を行う。
瀧口は引き続きSPA3連リポソーム配列用デバイスに捕捉した状態での、アクチン線維を封入したリポソームの変形の誘導およびその操作に挑戦する。またアクチン線維を封入したリポソームの膜の力学測定についてもデータをまとめる。
上杉は特にマイクロ流体デバイスシステムの改良を継続し、圧力や流量を精密に制御できるシステムを完成させる。並行して、領域内で使用される様々な組成のリポソームや、内部物質を添加したリポソームの機械的特性評価を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)
• [Journal Article] From Molecular Robotics to Molecular Cybernetics: The First Step Toward Chemical Artificial Intelligence (2023)
  • Author(s): Kuzuya Akinori、Nomura Shin-Ichiro M.、Toyota Taro、Nakakuki Takashi、Murata Satoshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications Volume: 9 Issue: 3 Pages: 354-363
  • DOI: 10.1109/tmbmc.2023.3304243
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Behavior of Biopolymers, Cytoskeleton, DNA, and Phospholipids, that Exert Self-organization, Shown in the Liquid-Liquid Phase Separation (2023)
  • Author(s): Kingo TAKIGUCHI, Hiroki SAKUTA, Masahito HAYASHI, Tatsuyuki WAIZUMI, Kanta TSUMOTO, Kenichi YOSHIKAWA
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 63 Issue: 1 Pages: 5-11
  • DOI: 10.2142/biophys.63.5
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cooperative cargo transportation by a swarm of molecular machines (2022)
  • Author(s): Akter M.、Keya J. J.、Kayano K.、Kabir A. M. R.、Inoue D.、Hess H.、Sada K.、Kuzuya A.、Asanuma H.、Kakugo A.
  • Journal Title: Science Robotics Volume: 7 Issue: 65
  • DOI: 10.1126/scirobotics.abm0677
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular Cybernetics: Challenges toward Cellular Chemical Artificial Intelligence (2022)
  • Author(s): Murata, S., Toyota, T., Nomura, S. I. M., Nakakuki, T., & Kuzuya, A.
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 32(37) Issue: 37 Pages: 2201866-2201866
  • DOI: 10.1002/adfm.202201866
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fluctuation in the Sliding Movement of Kinesin-Driven Microtubules is Regulated Using the Deep-Sea Osmolyte Trimethylamine N-Oxide (2022)
  • Author(s): Arif Md. Rashedul Kabir, Tasrina Munmun, Kazuki Sada, and Akira Kakugo
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 22 Pages: 18597-18604
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c01228
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling Protein Molecules at the Mesoscale: for Structural Study of Artificial Muscle (2022)
  • Author(s): 上野 豊, 松田 健人, 加藤 薫, 角五 彰, 葛谷 明紀, 小長谷 明彦
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 1 Pages: 58-61
  • DOI: 10.2142/biophys.62.58
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlling the Rigidity of Kinesin-Propelled Microtubules in an In Vitro Gliding Assay Using the Deep-Sea Osmolyte Trimethylamine N-Oxide (2022)
  • Author(s): Kabir Arif Md. Rashedul、Munmun Tasrina、Hayashi Tomohiko、Yasuda Satoshi、Kimura Atsushi P.、Kinoshita Masahiro、Murata Takeshi、Sada Kazuki、Kakugo Akira
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 4 Pages: 3796-3803
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c06699
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Water-Repellency Model of the Water Strider, <i>Aquarius paludum paludum</i>, by the Curved Structure of Leg Micro-Hairs (2021)
  • Author(s): Kaoru Uesugi
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 34 Issue: 4 Pages: 393-399
  • DOI: 10.2494/photopolymer.34.393
  • NAID: 130008119665
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Year and Date: 2021-06-11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Online Biomolecular Design Competition Across University Boundaries (2021)
  • Author(s): MURATA Satoshi、KUZUYA Akinori、FUJIWARA Kei、TAIRA Junichi、KAWAMATA Ibuki、SATO Yusuke、TAKINOUE Masahiro、M. NOMURA Shin-ichiro、KAKUGO Akira、HORI Yutaka、ABE Keita
  • Journal Title: Journal of JSEE Volume: 69 Issue: 4 Pages: 4_31-4_39
  • DOI: 10.4307/jsee.69.4_31
  • NAID: 130008070459
  • ISSN: 1341-2167, 1881-0764
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular Swarm Robot Realized by the Intelligence of a Biomolecular Motor System and DNA (2021)
  • Author(s): Jakia Jannat Keya, Akinori Kuzuya, Akira Kakugo
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 61 Issue: 5 Pages: 330-331
  • DOI: 10.2142/biophys.61.330
  • NAID: 130008093150
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 動物実験でも使用されはじめたDNAオリガミ法 (2021)
  • Author(s): 葛谷明紀
  • Journal Title: LABIO21 Volume: 83 Pages: 17-21
  • NAID: 40022589791
• [Presentation] リポソーム膜へのDNA Origami結合による変形誘導 (2024)
  • Author(s): 川合充佳乃, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第7回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] DNA足場多色生物発光素子を用いたディスプレイデバイスの開発 (2024)
  • Author(s): 乾俊輝, 高野史章, 葛谷明紀
  • Organizer: 第7回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] 向きの揃った膜貫通DNAユニットのその場合成 (2024)
  • Author(s): 武原春奈, 西田琢臣, 葛谷明紀
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会（2024）
• [Presentation] スプリット発光タンパク質を分子内単分子励起光源としたマルチステップ分子内エネルギー移動 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
  • Organizer: 第69回高分子研究発表会（神戸）
• [Presentation] Efficient DNA-Scaffolded Intramolecular Energy Transmission utilizing Split Luciferase as Single- Molecular Energy Source (2023)
  • Author(s): Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Fumiaki Takano, Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA-Scaffolded Bioluminescence Energy Transfer System (dsBRET) for Precisely Controlled Multi-Color Bioluminescence (2023)
  • Author(s): Akinori Kuzuya, Fumiaki Takano, Yuki Minamide, Shiori Tabana, Tomoya Niki, Koichi Tanimoto
  • Organizer: The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA に固定した発光タンパク質を分子内単分子励起光源とするエネルギー伝送系の構築 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
  • Organizer: 第33回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] DNA分子情報による生物発光の精密制御 (2023)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第33回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] DNAを足場とした長距離光エネルギー伝送系の構築 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第17回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] Manipulation of Bioluminescence with DNA (2023)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] Precise Control of Bioluminescence Energy Transfer with DNA (2023)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 10th International Conference on DNA Nanotechnology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Precise Control of Bioluminescence Resonance Energy Transfer with DNA (2023)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNAを足場とした生物発光エネルギー伝送系の構築 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] DNA末端における再構成型BRETシステムを応用した光エネルギー伝送路の開発 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] Long-range energy transfer using DNA-scaffolded BRET system (2023)
  • Author(s): Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
  • Organizer: CBI学会2023年大会
• [Presentation] Construction of DNA-Scaffolded Long-Range Intramolecular Energy Transmission System (2023)
  • Author(s): Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 50th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry（ISNAC2023）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜の挙動に対するアクチン封入の影響 (2023)
  • Author(s): 別所 賢、菊本 真人、水谷 友紀、伊藤 萌香、瀧口 金吾
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会 16.0
• [Presentation] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜小胞の挙動に対するアクチン封入の影響 (2023)
  • Author(s): 別所 賢, 菊本 真人, 水谷 友紀, 伊藤 萌香, 瀧口 金吾
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会
• [Presentation] リポソームの膜張力評価を目指したマイクロ流体システムの開発 (2023)
  • Author(s): 柏木悠里, 豊田太郎, 長山和亮, 上杉薫
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
• [Presentation] マイクロピペット吸引法を用いた膜組成の異なるリポソームの機械的特性評価 (2023)
  • Author(s): 清田匠, 豊田太郎, 長山和亮, 上杉薫
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2023 材料力学カンファレンス
• [Presentation] 分子ロボットへの応用を目指した，マイクロ流体デバイスによるリポソームの機械的特性評価 (2023)
  • Author(s): 上杉 薫, 柏木 悠里, 豊田 太郎, 長山 和亮
  • Organizer: 日本機械学会2023年度年次大会
• [Presentation] Simultaneously evaluation of mechanical properties for multiple liposomes with a microfluidic device constructed rectangular-shaped funnel channels (2023)
  • Author(s): Kaoru Uesugi, Taro Toyota and Kazuaki Nagayama
  • Organizer: The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNAを足場とした生物発光共鳴エネルギー移動システムの精密解析 (2023)
  • Author(s): 谷本晃一, 仁木智哉, 南出悠貴, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] 発光タンパク質を分子内励起光源とした効率的な分子内エネルギー伝送 (2023)
  • Author(s): 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] 蛋白質によって生じる膜突起形成の巨大人工膜小胞（巨大リポソーム）を用いた直接観察 (2023)
  • Author(s): 瀧口金吾
  • Organizer: サントリー生有研セミナー
  • Invited
• [Presentation] DNA上でのBRET/FRETを活用した多色発光システム (2022)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 葛谷明紀
  • Organizer: 第32回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] DNAを足場に利用したマルチカラー生物発光素子の開発 (2022)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] DNA Origami液中微細構造サブnm解析のためのBRETシステムの開発 (2022)
  • Author(s): 田花汐理, 南出悠貴, 高野史章, 仁木智哉, 葛谷明紀
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 鎖置換反応を利用したDNA足場BRETシステムの動的制御 (2022)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 単分子励起光源を利用した分子内エネルギー移動 (2022)
  • Author(s): 南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 葛谷明紀
  • Organizer: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] DNAを足場とした多色生物発光システムの動的制御 (2022)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会15.0
• [Presentation] Long-range and multi-step intramolecular energy transfer by BRET/FRET system (2022)
  • Author(s): Yuki Minamide, Fumiaki Takano, Tanimoto Koichi, Akinori Kuzuya
  • Organizer: CBI学会2022年大会
• [Presentation] 鎖置換反応を活用したDNA足場生物発光素子の動的色調変換 (2022)
  • Author(s): 高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
  • Organizer: 第６回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] 発光タンパク質を分子内励起光源としたマルチステップ分子内エネルギー移動 (2022)
  • Author(s): 南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 葛谷明紀
  • Organizer: 第６回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] 分子ロボットの部材としてのDNA (2022)
  • Author(s): 葛谷明紀
  • Organizer: CBI学会 第２回分子ロボット倫理研究会
  • Invited
• [Presentation] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜の挙動に対しF-actinが及ぼす影響 (2022)
  • Author(s): 別所賢, 伊藤萌香, 瀧口金吾
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] 分子ロボット作製を目的とするマイクロピペット吸引法を適用したリポソームの機械的特性評価 (2022)
  • Author(s): 清田匠，長山和亮，上杉薫
  • Organizer: ロボティクス・メカトロニクス講演会2022
• [Presentation] 分子ロボット開発を目的とするリポソームの機械的物性評価 ～マイクロピペット吸引法の安定性向上～ (2022)
  • Author(s): 清田匠，長山和亮，豊田太郎，上杉薫
  • Organizer: 日本機械学会 2022年茨城講演会
• [Presentation] 分子ロボット開発に最適な機械的特性を持つリポソームの機械的物性評価 (2022)
  • Author(s): 清田匠，豊田太郎，長山和亮，上杉薫
  • Organizer: 日本機械学会 2022年度年次大会
• [Presentation] DNA Nanodevices for Single-Molecule Optical Detection of Various Biomolecules (2022)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: The 25th SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有機化学でナノロボットをつくる (2021)
  • Author(s): 葛谷明紀
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ2021
  • Invited
• [Presentation] PEGを導入したDNAオリガミ構造体による排除体積効果の単分子解析 (2021)
  • Author(s): 岡本祐太、安部翔太、飯田祥弘、阪本康太、大矢裕一、葛谷明紀
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 西川智貴、森高勇人、石川竣平、大矢裕一、葛谷明紀 (2021)
  • Author(s): 光駆動型DNAオリガミ分子機械の高速AFM観察
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Book] Molecular Robotics, An Introduction (2022)
  • Author(s): Satoshi Murata Ed.
  • Total Pages: 296
  • Publisher: Springer Singapore
  • ISBN: 9789811939860
• [Book] DNA Origami: Structures, Technology, and Applications, Masayuki Endo, Ed. (2022)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Total Pages: 414
  • Publisher: John Wiley & Sons
  • ISBN: 9781119682547
• [Remarks] 学術変革領域研究(A)分子サイバネティクス
  • URL: https://molcyber.org/
• [Remarks] 関西大学 化学生命工学部 知能分子学研究室
  • URL: https://wps.itc.kansai-u.ac.jp/mol-mach/
• [Remarks] 研究者総覧 瀧口金吾
  • URL: https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100000929_ja.html
• [Remarks] 茨城大学大学院 理工学研究科 機械システム工学専攻 上杉薫
  • URL: http://uesugilab.mechsys.ibaraki.ac.jp/
• [Remarks] 研究者総覧 瀧口金吾
  • URL: https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100000929_ja.html
• [Remarks] 学術変革領域研究（A）分子サイバネティクス
  • URL: https://molcyber.org/
• [Patent(Industrial Property Rights)] エネルギー伝送路として利用可能な複合物質 (2023)
  • Inventor(s): 葛谷明紀, 南出悠貴
  • Industrial Property Rights Holder: 関西大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-131184
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 撹拌装置及び撹拌方法 (2022)
  • Inventor(s): 上杉薫
  • Industrial Property Rights Holder: 茨城大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-193176
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] 複合分子 (2021)
  • Inventor(s): 葛谷明紀, 高野史章, 乾俊輝
  • Industrial Property Rights Holder: 関西大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-132865
  • Filing Date: 2021