分子濃度場を検知し移動する，走化性機能を実装した細胞型分子ロボットの創出

• Project/Area Number: 18J00720
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Tohoku University (2019); Tokyo Institute of Technology (2018)
• Principal Investigator: 佐藤 佑介 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: DNAナノテクノロジー / 液-液相分離 / 分子ロボティクス / 生物物理学 / 生物物理 / 液液相分離

Outline of Annual Research Achievements

走化性のような方向性を持った運動を実現する上で，非対称性は重要な要素の一つである．そこで，分子信号に応じて非対称に変形するマイクロサイズのゲルアクチュエータ構築のため．タンパク質が内部で非対称に分布したDNAハイドロゲルの構築を行なった．タンパク質の配置方法を検討するため，モデルタンパク質としてストレプトアビジンを採用した．ストレプトアビジンに配列設計したDNAを修飾することで，DNAナノ構造の相分離で形成されたヤヌスゲルの任意の片側にタンパク質を集積させることに成功した．この技術をモーター/骨格タンパク質へ等応用することで，非対称に変形するゲルアクチュエータの構築が期待できる．
また，様々な形状のハイドロゲルを形成するための方法の開発も行った．フォトリソグラフィー法を応用し，光応答性DNAとフォトマスクを組み合わせ，様々な形状のDNAハイドロゲルを構築することに成功した．
そして，分子ロボットが外部分子信号を認識するためのポア構造について，米国Kent State Universityと共同でリング型DNAナノ構造の構築と，その疎水化のための最適条件を探索した．反応・抽出条件を最適化することにより，80%程度の効率で疎水化DNAを合成・精製することに成功した．現在，脂質膜にポア構造を埋め込むための設計の微修正に取り組んでいる．

計画当初は，ポリアクリルアミドゲル を用いる予定だったが，骨格タンパク質の非特異的な束化が生じたことから，DNAハイドロゲルへと変更していた．計画の変更に伴い課題の進捗に遅れが生じたものの，走化性を有する分子ロボットを構築するための要素技術開発において，成果を得ることができた．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] DNA Origami “Quick” Refolding inside of a Micron-Sized Compartment (2020)
  • Author(s): Taiki Watanabe, Yusuke Sato, Hayato Otaka, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-Ichiro M. Nomura
  • Journal Title: Molecules Volume: 25 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.3390/molecules25010008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photolithographic shape control of DNA hydrogels by photo-activated self-assembly of DNA nanostructures (2020)
  • Author(s): Kasahara Yu、Sato Yusuke、Masukawa Marcos K.、Okuda Yukiko、Takinoue Masahiro
  • Journal Title: APL Bioengineering Volume: 4 Issue: 1 Pages: 016109-016109
  • DOI: 10.1063/1.5132929
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sequence-based engineering of dynamic functions of micrometer-sized DNA droplets (2020)
  • Author(s): Sato Yusuke、Sakamoto Tetsuro、Takinoue Masahiro
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 23 Pages: 3471-3471
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba3471
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Session 1SCA?Utilizing soft compartments/interfaces for the creation of artificial biosystems (2020)
  • Author(s): Sato Yusuke、Morita Masamune、Suzuki Yuki
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 12 Issue: 2 Pages: 257-259
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00647-y
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Creation of artificial cell-like structures promoted by microfluidics technologies (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
  • Journal Title: Micromachines Volume: 10 Issue: 4 Pages: 216-216
  • DOI: 10.3390/mi10040216
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 配列設計と相転移に基づいたDNAマイクロ構造の構築と制御 (2019)
  • Author(s): 佐藤佑介，瀧ノ上正浩
  • Journal Title: 化学とマイクロ・ナノシステム Volume: 18 Pages: 24-27
• [Journal Article] Isothermal amplification of specific DNA molecules inside giant unilamellar vesicles (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Ken Komiya, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 印刷中 Issue: 62 Pages: 9084-9087
  • DOI: 10.1039/c9cc03277k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Creation and control of DNA micro droplets based on phase transition and sequence design (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Tetsuro Sakamoto, Masahiro Takinoue
  • Organizer: MicroTAS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA droplets: self-assembly and phase transition of DNA nanostructures (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Tetsuro Sakamoto, Masahiro Takinoue
  • Organizer: EBSA2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Amplification of specific DNA molecules inside giant unilamellar vesicles at isothermal and physiological temperature (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Ken Komiya, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura
  • Organizer: The 57th BSJ annual meeting
• [Presentation] Formation of DNA micro droplets with sequence-specificity by liquid-liquid phase separation of DNA nanostructures (2019)
  • Author(s): Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
  • Organizer: OKINAWA COLLOIDS 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 塩基配列設計によるDNA液滴の融合/分裂制御とタンパク質の集積 (2019)
  • Author(s): 佐藤佑介，阪本哲郎，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会 第40回研究会
• [Presentation] 塩基配列設計に基づいたDNA液滴の構築と制御 (2019)
  • Author(s): 佐藤佑介，阪本哲郎，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 細胞を創る研究会12.0
• [Presentation] DNAナノ構造の自己集合と相転移による「DNA液滴」の創出と制御 (2019)
  • Author(s): 佐藤佑介，阪本哲郎，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 第2回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] DNAナノ構造集合体の相転移制御による情報を持つ液滴の創出 (2018)
  • Author(s): 佐藤佑介，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会 第38回研究会（38th CHEMINAS）
• [Presentation] 配列設計と相転移の制御によるDNA液滴の創出 (2018)
  • Author(s): 佐藤佑介，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会11.0
• [Presentation] Research, DIARE, and me (2018)
  • Author(s): Yusuke Sato
  • Organizer: The 3rd FRIS JointWorkshop
  • Invited
• [Presentation] DNAナノ構造集合体の相転移制御による情報を持つ液滴 (2018)
  • Author(s): 佐藤佑介，阪本哲郎，瀧ノ上正浩
  • Organizer: 第5回サイボウニクス研究会
• [Book] 分子ロボティクス概論 ～分子のデザインでシステムをつくる (2019)
  • Author(s): 佐藤佑介（担当第２章, 2.2）（村田 智 編)
  • Total Pages: 302
  • Publisher: CBI学会出版
• [Remarks] YUSUKE SATO WEB SITE
  • URL: https://sites.google.com/view/ysato-web/menu?authuser=1
• [Patent(Industrial Property Rights)] 短鎖核酸、短鎖核酸が凝集してなる液滴、及び、それを用いた分子又は粒子の集積、輸送、配置又はセンシング方法 (2019)
  • Inventor(s): 瀧ノ上正浩，佐藤佑介，津村希望
  • Industrial Property Rights Holder: 東京工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019