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Theory and methods for designing reliable DNA circuits by assembling unreliable molecular reactions

Research Project

Project/Area Number 20K04549
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research InstitutionKyushu Institute of Technology

Principal Investigator

Nakakuki Takashi  九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30435664)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Keywords分子ロボティクス / DNA回路 / 合理的設計 / 制御理論
Outline of Research at the Start

本研究では、(1)信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論を確立し、(2)分子ロボットに搭載可能な高機能な制御回路を設計する。高機能な制御回路を設計することは、多種の分子部品を組み合わせた複雑なDNA回路を設計することを意味する。副反応はDNA回路の規模と共に爆発的に増加し、DNA回路の機能不全を引き起こす。「高機能な制御回路」を設計するためには、「信頼性の高いDNA回路」の設計法を確立する必要がある。

Outline of Final Research Achievements

We successfully applied the basic theory of “finite-time regulation property,” which had been established in our previous study, to practical DNA circuits. Especially, we proposed the new method to evaluate the dynamic properties of DNA circuits, based on the frequency response analysis in control engineering. We also established a practical method to drive the DNA feedback regulator for a long time by using a photo-responsive molecule, azobenzene.
As an outreach of molecular robotics, we have compiled and written a chapter on the design theory of DNA circuits in the English book “Molecular Robotics” from the perspective of control theory.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体分子で構成される分子ロボットは,様々な要素技術が統合された知的システムである。医療分野での応用が期待されている分子ロボットを実用化へと進展させる上で,高機能なDNA制御回路の実現が求められている。DNA回路の実態は化学反応系であり,その構成分子であるDNA鎖が分子部品となる。本研究では,DNA回路という高次非線形系に対して,特異摂動理論に基づく実用的な解析法を提案しており,制御理論の新たな拡張性を示唆している。また,分子ロボットの制御に必要なDNAフィードバック制御器を長時間駆動する設計法の確立は,分子ロボットの社会実装を進める上で必要不可欠となる技術である。

Report

(4 results)
  • 2023 Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results) (of which Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Molecular Cybernetics: Challenges toward Cellular Chemical Artificial Intelligence2022

    • Author(s)
      Murata, S., Toyota, T., Nomura, S. I. M., Nakakuki, T., & Kuzuya, A.
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 32(37) Issue: 37 Pages: 2201866-2201866

    • DOI

      10.1002/adfm.202201866

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Renewable DNA Proportional-Integral Controller with Photoresponsive Molecules2022

    • Author(s)
      Tamba Masaaki、Murayama Keiji、Asanuma Hiroyuki、Nakakuki Takashi
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 13 Issue: 2 Pages: 193-193

    • DOI

      10.3390/mi13020193

    • NAID

      120007186030

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] DNA concentration regulator that can be driven for a long time2022

    • Author(s)
      Takashi Nakakuki, Keiji Murayama, Hiroyuki Asanuma
    • Journal Title

      New Generation Computing

      Volume: -

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] New Approach to Frequency Response Analysis of Biomolecular Circuits2021

    • Author(s)
      Keitaro Koga, Takashi Nakakuki
    • Journal Title

      2021 60th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE2021)

      Volume: -

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Renewable implementation of rational biomolecular systems design2020

    • Author(s)
      Masaaki Tamba, Takashi Nakakuki
    • Journal Title

      Proceedings of SICE Annual Conference (SICE2020)

      Volume: - Pages: 300-307

    • DOI

      10.23919/sice48898.2020.9240329

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 分子ブースターによる DNA 鎖置換反応の加速効果の定量評価2022

    • Author(s)
      川野隆宏,麻生かおり,嶋田直彦,丸山厚,中茎隆
    • Organizer
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 条件反射を獲得する分子反応回路の設計2021

    • Author(s)
      中茎隆
    • Organizer
      細胞を創る研究会14.0(CellSynth14)
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 光応答性分子アゾベンゼンを利用した再利用可能な可能なDNA回路の設計法2020

    • Author(s)
      丹波正明,中茎隆
    • Organizer
      第4回分子ロボティクス年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 光反応制御を用いた濃度レギュレータに関する研究2020

    • Author(s)
      秋田実,中茎隆
    • Organizer
      第4 回分子ロボティクス年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Book] Design Theory of Molecular Robots in Book "Molecular Robotics"2022

    • Author(s)
      Takashi Nakakui (Editor: Satoshi Murata)
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      Springer Singapore
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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