不確実な情報のもとで論理推論を行い機能性分子を産生する反応システムの構築

• Project/Area Number: 20200005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research a proposed research project)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Intelligent informatics; System engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小宮 健 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教 (20396790)
• Project Period (FY): 2008 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥32,500,000 (Direct Cost: ¥25,000,000、Indirect Cost: ¥7,500,000); Fiscal Year 2010: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2009: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2008: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: 転写 / 自律反応システム / miRNA / 反応カスケード / リアルタイムPCR / プロファイル / 入力 / 論理ゲート

Research Abstract

溶液中に存在する分子の分布をセンシングし、プログラムにしたがって分子が情報を処理し、出力として機能性分子を合成する、自律的な反応システムの実現に向けて、要素機能を実現する反応モジュールを構築した。microRNA(miRNA)もしくはモデルとしてのオリゴDNAをセンシングする「検査反応モジュール」について、高感度な検出および多種の検出ができることを実証した。また、DNA配列に符号化した診断プログラムにしたがい、カスケード化されたDNA合成により転写パターン情報を処理する「診断反応モジュール」を構築し、カスケード反応が特異性高く進行することを確認した。本研究で構築する一連のプロセスを実行する知的な反応システムは、複数の分子が多段階に反応するシステムであるため、多様な反応パラメータを実験のみで効果的に調整することは困難であった。そこで反応モデルを構築して、ハイスループットなリアルタイムPCR装置を用いた蛍光測定とシミュレーションを併用しながら、最適な反応条件の検討を行った。さらに、ガン細胞に特徴的なmiRNA転写パターンと推論した場合、ガン抑制に有効なRNA配列を出力する「投薬反応モジュール」のモデル反応として、カスケード化されたDNA合成に続いて同一反応溶液中で起こるRNA合成反応を実現した。本反応システムを細胞に対して動作させることを目指し、カスケード反応を小さな分子で制御できるように拡張する機構についても検討した。

Research Products

• [Journal Article] 自律DNA分子計算-in vitroインテリジェンスの構築 (2010)
  • Author(s): 小宮健, ジョンA.ローズ, 山村雅幸
  • Journal Title: 計測自動制御学会論文集 Volume: 11 Pages: 700-705
  • NAID: 10027445752
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 分子計算 (2010)
  • Author(s): 小宮健
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 Volume: 10 Pages: 1168-1171
  • NAID: 10027648149
• [Journal Article] Quantitative design and experimental validation for a single-molecule DNA nanodevice transformable among three structural states (2010)
  • Author(s): K.Komiya, M.Yamamura, J.A.Rose
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 13 Pages: 4539-4546
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental Validation of Signal Dependent Operation in Whiplash PCR (2009)
  • Author(s): K. Komiya, M. Yamamura and J. A. Rose
  • Journal Title: Lecture Notes in Computer Science 5347 Pages: 1-10
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Innovation of a Molecular Robot Based on Dynamical DNA Nanotechnology for Achieving an Embedded Controller of Molecular Reaction (2011)
  • Author(s): K.Komiya
  • Organizer: 2011 Genomic Sciences Research Complex (GSC) Tanabata Meeting
  • Place of Presentation: Yokohama
  • Year and Date: 2011-08-25
• [Presentation] Construction of an Intelligent Robot with Molecules Based on Autonomous DNA Computing Technology (2011)
  • Author(s): K.Komiya, A.Kobayashi, Masayuki Yamamura
  • Organizer: CBI/JSBi2011合同大会
  • Place of Presentation: 神戸市
• [Presentation] Construction of molecular modules for an intelligent molecular robot that implements sensing, judgment and synthesis for controlling biological events without human intervention (2011)
  • Author(s): K.Komiya, A.Kobayashi, Masayuki Yamamura
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会4.0
  • Place of Presentation: 豊中市
• [Presentation] Construction of molecular modules for an intelligent molecular robot that implements sensing, judgment and synthesis for controlling biological events without human intervention (2011)
  • Author(s): K.Komiya, A.Kobayashi, Masayuki Yamamura
  • Organizer: Seventeenth International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming (DNA17)
  • Place of Presentation: Pasadena
• [Presentation] Construction of a DNA Generation circuit for sequential control of nanomachines (2011)
  • Author(s): K.Komiya, A.Kobayashi, Masayuki Yamamura
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 姫路市
• [Presentation] Transcription control by a synthetic thermal band pass filter implemented with a single DNA molecule (2010)
  • Author(s): K.Komiya, M.Yamamura, J.A.Rose
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台市
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Operational Design, Tuning, and Experimental Validation of a Single-Molecule Tristate DNA Nanodevice (2010)
  • Author(s): K.Komiya, M.Yamamura, J.A.Rose
  • Organizer: Sixteenth International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming (DNA16)
  • Place of Presentation: Hong Kong
  • Year and Date: 2010-06-15
• [Presentation] 分子ロボットの知能となるセンシング・情報処理を行うDNA状態機械 (2010)
  • Author(s): 小宮健, 小林麻子, 山村雅幸
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会3.0
  • Place of Presentation: 東京都目黒区
• [Book] DNAナノエンジニアリング(ナチュラルコンピューティング・シリーズ)第2巻(萩谷昌己,横森貴編) (2011)
  • Author(s): 小宮健, 瀧ノ上正浩, 田中文昭, 浜田省吾, 村田智
  • Total Pages: 216
  • Publisher: 近代科学社
• [Book] Natural Computing Handbook (G.Rozenberg et al.Eds.) (2010)
  • Author(s): M.Hagiya, S.Kobayashi, K.Komiya, F.Tanaka, T.Yokomori
  • Total Pages: 1700
  • Publisher: Springer-Verlag
• [Remarks]
  • URL: http://bio-inspired.chemistry.jpn.com/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 標的核酸の検出方法及びキット (2012)
  • Inventor(s): 小宮健
  • Industrial Property Rights Holder: 東京工業大学
  • Filing Date: 2012-12-12
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 標的核酸の検出方法及びキット (2010)
  • Inventor(s): 小宮健
  • Industrial Property Rights Holder: 東京工業大学
  • Industrial Property Number: 2010-275948
  • Filing Date: 2010-12-10