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Artificial molecular motors exploring "experimental physics of autonomous nanomachines"

Research Project

Project/Area Number 19H01857
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Toyabe Shoichi  東北大学, 工学研究科, 教授 (40453675)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywords分子モーター / DNAナノテク / 人工分子モーター / DNAナノ構造 / DNAナノテクノロジー / ナノデバイス / DNAウォーカー / ナノテクノロジー
Outline of Research at the Start

生体分子モーターは,生命の進化が生んだ超高性能の自律的ナノマシンである.運動の詳細はほぼ分かっているが,どうやって超高性能を実現しているのか,その根本的な設計思想が分かっていない.モーターの各要素を細かく調べるだけでは不十分で,分子全体としての協働的な運動の理解が不可欠である.そのための本質的なアプローチは,模倣したナノマシンを「造っていじって理解する」ことである.本課題では,分子間の相互作用を自在に設計できるDNAナノテクノロジーを駆使し,分子モーターを造るだけでなく,構造をシステマティックに改造して制御する.本研究では,特に,構造の柔らかさが果たす役割の解明を目指す.

Outline of Final Research Achievements

The aim of this project was to create "experimental physics of autonomous nanomachines" by exploring the cooperative nature inside nanomachines through the realisation of high-performance artificial molecular motors that mimic biomolecular motors. In this study, we first realised conformational-changing leg structures by DNA oligami technology. Furthermore, a motor structure combining the legs was designed. Research will continue after the grant period, with the aim of experimentally realising this structure. For the ratchet-type motor, we propose a novel mechanism that combines unidirectionality and scalability due to structural asymmetry. Detailed numerical calculations suggest that explicit structural change is required to achieve the high operating performance of a biological motor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体分子モーターは,超高性能の自律的ナノマシンである.これを模倣した人工モーターを実現できれば,生体分子モーターの理解が急速に進むだけでなく,効率的でしなやかな人工筋肉など,ナノマシンを基にした新しい工学技術の創出が期待できる.本課題では,人工モーターの新しい動作機構を提案し,詳細な数値計算により,構造変化を伴う動作が高性能なモーターには不可欠であることを見出した.さらに,DNAオリガミ技術で構造変化を伴う脚構造を実現し,構造変化により動作する人工モーター実現に向けた要素技術に成功した.このようなモデル系を詳細に調べることで「自律的ナノマシンの実験物理学」という新しい学理の構築が期待できる.

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022 2021 2019

All Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Presentation] パワーストローク型人工分子モーターの実現に 向けて2023

    • Author(s)
      福田朗大,佐藤佑介,横山武司,田中良和,鳥谷部祥一
    • Organizer
      日本生物物理学会 北海道-東北支部合同例会,
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Toward a DNA- based artificial molecular motor with power stroke mechanism2023

    • Author(s)
      Akihiro Fukuda1, Yusuke Sato, Takeshi Yokoyama, Yoshikazu Tanaka, Shoichi Toyabe
    • Organizer
      ICBP2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experiments on single-molecular energetics of biological molecular motor2022

    • Author(s)
      Shoichi Toyabe
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 人工回転分子モーターの設計とその自律的運動のシミュレーション2021

    • Author(s)
      伊藤 健太, 佐藤 佑介, 鳥谷部 祥一
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Towards the realization of artificial molecular motor using DNA molecules2019

    • Author(s)
      K. Arai, Y. Tsushima, S. Toyabe
    • Organizer
      新学術「発動分子科学」領域会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Towards the realization of artificial molecular motor using DNA molecules2019

    • Author(s)
      K. Arai, Y. Tsushima, S. Toyabe
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] 生物物理学2022

    • Author(s)
      鳥谷部 祥一
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      日本評論社
    • ISBN
      453578972X
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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