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, 特任助教 (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。「Pユニットからの出力に応答した、突起の形成やリポソーム大変形の実現」、「変形にともなう力を計測するシステムの確立」などを通じて、Aユニットの変形によるSPAユニット間の結合(シナプス)形成、すなわち、Aユニットに組み込んだレセプタ/トランスデューサを介してSPAユニットを別のSPAユニットと動的に接続する機構の開発をめざす。
2021年度、葛谷はリポソーム内でのATP濃度を解析する系の開発を目的として、発光タンパク質をリポソーム内で機能させ、その発光量からATP濃度を推定する手法を検討した。その過程で、発光タンパク質の発光をDNAで制御することを着想した。瀧口はアクチン封入リポソームの大変形を操作するための技術開発の一環として、アクチン線維のネマティック液晶形成における人工夾雑物（ビーズ）の共封入の効果の検証を昨年度に引き続き行なった。また葛谷が合成したアクチン結合ペプチド修飾DNAの機能確認を行った。コビルは微小管およびキネシンのリポソームへの最適な封入条件、およびリポソーム膜への微小管の固定化法を検討した。上杉はリポソームの変形を3次元的に観察するために構築した二種の観察系について、実際にリポソームを用いて解析を開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度の成果を参画している研究者たちがそれぞれ順調に発展させており、計画調書の数値目標の達成がかなり具体的に見えてきた。

Strategy for Future Research Activity

本研究は「ニューロイド内で機能する自己組織化に基づく外部刺激への応答性と、情報伝達機能を備えた分子アクチュエータシステムを開発する」ことを最終目標としており、研究開始3年目までに、下記の中間目標を定めている。(i) Pユニットからの出力に応答した、リポソーム直径の100%の長さに相当する突起の形成、もしくはリポソームのアスペクト比 1:2 以上の大変形を実現する。(ii) 光照射による変形のリセット機構を組み込み、動作とその解消からなる一往復のアクチュエーションを実現する。(iii) 変形にともなう力を計測するシステムを設計・構築する。
2022年度は、(a) 研究分担者らによって既報の「DNA修飾微小管/キネシンモーター系とDNAオリガミ構造体を組み合わせた分子人工筋肉」をリポソーム内に高濃度で封入し、動作させることをめざし、引き続き封入条件を最適化する。(b) 研究分担者らによって既報の「リポソーム内に封入したアクチンファイバーによるリポソーム駆動系」にDNA分子情報応答能を付与するために、アクチン結合ペプチド修飾DNAをトリガーとしたアクチンファイバーの束化を検討する。(c) ひきつづきリポソーム変形の力学特性解析のための力学センサー機構の構築をおこなう。の各項目を実施する。

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] 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] 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] 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/
• [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