New development of spatio-temporal molecular programming

• Project/Area Number: 20H00618
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 62:Applied informatics and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 村田 智 東北大学, 工学研究科, 教授 (10334533)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川又 生吹 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30733977) ; 安部 桂太 東北大学, 工学研究科, 特任助教 (00982860)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000); Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2020: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000)
• Keywords: 空間分子プログラミング / DNAコンピューティング / 反応拡散系 / マテリアライゼーション / 時空間分子プログラミング / ＤＮＡコンピューティング

Outline of Research at the Start

本研究では，分子プログラミングの技術をもちいて，生物が実現しているような自由自在な化学反応場の時空間制御を実現する．近年，人工的な反応拡散系によるパターン形成の研究が注目を集めているが，分子の拡散を制御するという観点が欠けているためできたパターンがすぐに散逸してしまうという問題や，できたパターンを機能化するための方法論がないといった問題があり，応用に結び付いていない．そこで本研究では，化学反応場において分子の拡散を積極的に制御する方法，および，できたパターンから物理化学的機能を引き出す方法を開発することにより，こうした問題を解決し，時空間分子プログラミングの基盤技術を確立する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，（１）時空間分子プログラミングに適した反応系の設計，（２）形成したパターンの物質化，（３）シミュレーションモデルの構築の3つを研究目的としている．（１）の時空間プログラミングに適した反応系の設計については，これまでの研究でゲル中のDNA分子反応に基づくカスケードパターン形成の理論的および実験的方法論を確立した．（２）の形成したパターンの物質化については，媒質をゲルからゾルに拡張し，パターンが形成された場所に特異的な性質（粘性，拡散係数など）の制御をねらっている．前年度に発見したパターン形成後にパターンの位置が動的に変化する現象について繰り返し実験を行い，再現性を確認した．また，反応槽の大きさや形状，反応温度，DNAモチーフの濃度などを様々に変化させた実験も行い，動的パターンの発生と消滅がどのような条件下で起こるかプロセスの解明を進めた．（３）のシミュレーションモデルの構築については，（２）の実験結果を説明するモデルを検討した結果，従来の反応拡散モデルの単なる拡張では記述が難しいという感触を得ている．今後は移流反応拡散モデルを含めて新たな枠組みを検討する必要がある．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ゾル媒体における反応拡散系で，動的なパターン形成という新規な現象を発見し，その機序の解明を進めているがまだ定性的な理解にとどまっている．これが定量的にモデル化できれば，時空間パターン形成研究の新しい展開が期待できる．

Strategy for Future Research Activity

引き続き高粘度のアクリルアミドゾルを媒質として，動的パターンの発生と消滅のプロセスの原理の解明を進める．特に，モチーフの分子設計そのものの変更を含めて検討する．動的パターン形成のモデル化のために移流反応拡散系の構築を試みる．

Research Products

• [Journal Article] Web Server with a Simple Interface for Coarse-grained Molecular Dynamics of DNA Nanostructures (2021)
  • Author(s): Yudai Yamashita, Kotaro Watanabe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
  • Journal Title: Chem-Bio Informatics Journal Volume: 21 Issue: 0 Pages: 28-38
  • DOI: 10.1273/cbij.21.28
  • NAID: 130008031759
  • ISSN: 1347-0442, 1347-6297
  • Year and Date: 2021-04-30
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cascaded pattern formation in hydrogel medium using the polymerisation approach (2021)
  • Author(s): Keita Abe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 25 Issue: 25 Pages: 6160-6167
  • DOI: 10.1039/d1sm00296a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 分岐したDNAモチーフを用いたゾル媒体中でのパターン形成 (2022)
  • Author(s): 緒方寛，安部桂太，川又生吹，村田智
  • Organizer: 第6回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] Pattern formation in sol media using branched DNA motifs (2022)
  • Author(s): Hiroshi Ogata, Keita Abe, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata
  • Organizer: CBI学会2022年大会
• [Presentation] Cascaded pattern formation in DNA based Reaction-diffusion system (2021)
  • Author(s): Keita Abe, Satoshi Murata and Ibuki Kawamata
  • Organizer: FNANO 2021: 18th Annual Conference Foundations of Nanoscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cascaded Pattern Formation in DNA-based Reaction-Diffusion System (2021)
  • Author(s): Keita Abe, Satoshi Murata and Ibuki Kawamata
  • Organizer: DNA27: International Conference on DNA computing and Molecular Programming
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA-based reaction-diffusion system for cascaded pattern formation (2021)
  • Author(s): Keita Abe, Satoshi Murata and Ibuki Kawamata
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] DNA反応拡散系におけるパターン形成のカスケード化 (2020)
  • Author(s): 安部桂太，村田智，川又生吹
  • Organizer: 第4回分子ロボティクス年次大会（併催分子ロボット倫理シンポジウム）
• [Presentation] DNAの重合反応を応用した反応拡散系のプログラムによるハイドロゲル中でのパターン形成 (2020)
  • Author(s): 安部 桂太, 川又生吹, 村田 智
  • Organizer: SICE分子ロボティクス研究会第2回オンライン定例研究会
• [Presentation] 合成DNAによる反応拡散系のプログラムを用いたハイドロゲル中でのパターン形成 (2020)
  • Author(s): 安部桂太
  • Organizer: 第３回 非線形科学オンライン研究会（若手の会）
• [Presentation] Cascaded Pattern Formation in Hydrogel using Reaction-Diffusion System (2020)
  • Author(s): Keita ABE, Ibuki KAWAMATA, Shin-ichiro M. NOMURA, and Satoshi MURATA
  • Organizer: 26th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming
  • Int'l Joint Research
• [Book] Molecular Robotics -An Introduction (2022)
  • Author(s): Satoshi Murata (Editor)
  • Total Pages: 296
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811939860
• [Remarks] 分子ロボティクス研究室ウェブサイト／研究成果／反応拡散によるパターン形成
  • URL: http://www.molbot.mech.tohoku.ac.jp/achievements/