ナノポアセンシングによる分子演算システムの構築

• Project Area: Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence
• Project/Area Number: 15H00803
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 川野 竜司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (90401702)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2016: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2015: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: ナノポア / 脂質二分子膜 / マイクロデバイス / 分析科学 / １分子計測(SMD) / ナノバイオ / ドロップレット

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、DNAを用いた論理演算（DNAコンピューティング）の出力分子をナノポアを用いた計測により、電気信号として検出・利用することにある。またナノポアを分子ロボットの感覚器として脂質膜をまたぐ輸送のチャネルとして用いる。
これまで分子ロボット内での情報処理に使用するため本領域ではDNAコンピューティング技術の研究開発を行ってきた。DNAを用いた計算では、入力分子を計算処理後、出力分子に変換して情報を出力する。このとき出力された分子の情報と取り出すのに複数の処理（PCRや蛍光観察）が必要となっていた。そこで本研究ではナノポアと呼ばれる膜タンパク質のポアを通過する分子を一分子レベルでかつ電気的に検出可能なナノポア計測を用い、脂質分子で覆われたドロップレット内で演算を行い、出力された核酸分子をリアルタイムに計測することに成功した。さらにこの計算では、酵素反応を利用し入力したDNAを演算の結果RNAに変換しシュル力、検出することにも成功している。
また本研究では領域内の計画班、公募班のグループとナノポアや脂質二分子膜システムを用いた共同研究を推進した。その結果、領域内共同研究の成果となる論文を含む計3報の学術論文として報告し、現在2報を投稿準備中である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nanopore Logic Operation with DNA to RNA Transcription in a Droplet System (2017)
  • Author(s): M. Ohara, M. Takinoue, R. Kawano
  • Journal Title: ACS Synthetic Biology Volume: 印刷中 Issue: 7 Pages: 1427-1432
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00101
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Amplification and quantification of an antisense oligonucleotide from target microRNA using programmable DNA and a biological nanopore (2017)
  • Author(s): M. Hiratani, M. Ohara, R. Kawano
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 89 Issue: 4 Pages: 2312-2317
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03830
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Channel Current Analysis for Pore-forming Properties of an Antimicrobial Peptide, Magainin 1, Using the Droplet Contact Method (2016)
  • Author(s): H. Watanabe and R. Kawano
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 32 Issue: 1 Pages: 57-60
  • DOI: 10.2116/analsci.32.57
  • NAID: 130005118568
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Logic Gate Operation by DNA Translocation through Biological Nanopores (2016)
  • Author(s): †H. Yasuga,† R. Kawano, M. Takinoue, T. Tsuji, T. Osaki, K. Kamiya, N. Miki, S. Takeuchi (†equal contribution)
  • Journal Title: PLoS One Volume: 11 Issue: 2 Pages: e0149667-e0149667
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0149667
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Autonomous Diagnosis and Therapy: miRNA Detection and Drug Release using Programmable DNA and Biological Nanopore (2015)
  • Author(s): M. Hiratani, M. Ohara and R. Kawano
  • Journal Title: Proceedings of MicroTAS Volume: 1 Pages: 906-908
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Nanopore sensing with stable lipid bilayers integrated into microdevices (2017)
  • Author(s): R. Kawano
  • Organizer: Asian International Symposium on CSJ2017
  • Place of Presentation: Keio Univ. (Yokohama), Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A Single Molecular Logic Gate: “AND” Operation Using DNA Immobilized in Biological Nanopore (2016)
  • Author(s): M. Ohara and R. Kawano
  • Organizer: MicroTAS2016
  • Place of Presentation: Dublin, Ireland
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recognition of microRNA Expression Pattern in Serum Using Programmable Droplet System for Cancer Diagnosis (2016)
  • Author(s): M. Hiratani, M. Ohara and R. Kawano
  • Organizer: MicroTAS2016
  • Place of Presentation: Dublin, Ireland
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Parallel Lipid Bilayer Formation by Microfabrication and Its Applications (2016)
  • Author(s): R. Kawano
  • Organizer: PITTCON 2016
  • Place of Presentation: Atlanta, US
  • Year and Date: 2016-03-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] メディカルドロップレットシステム：DNAコンピューティング技術を基盤としたmicroRNAの自律的診断 と薬剤放出 (2015)
  • Author(s): 平谷萌恵、川野竜司
  • Organizer: 第一回日本核酸医薬学会年会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] Autonomous Diagnosis and Therapy: miRNA Detection and Drug Release using Programmable DNA and Biological Nanopore (2015)
  • Author(s): M. Hiratani, M. Ohara and R. Kawano
  • Organizer: MicroTAS 2015
  • Place of Presentation: HICO, Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Logic Gate Operation using Three-way Junction DNA and Biological Nanopore (2015)
  • Author(s): M. Ohara and R. Kawano
  • Organizer: MicroTAS2015
  • Place of Presentation: HICO, Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ加工技術を基盤とした人工細胞膜システムの創成 (2015)
  • Author(s): 川野竜司
  • Organizer: 第64回高分子討論会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2015-09-15
  • Invited
• [Book] PharmStage (2017)
  • Author(s): 保皓大、平谷萌恵、川野竜司
  • Publisher: 情報技術協会
• [Book] 化学工業 (2016)
  • Author(s): 川野竜司、大原正行、渡辺寛和
  • Total Pages: 82
  • Publisher: サイボウニクス：人工細胞膜を用いた膜タンパク質の電気計測
• [Remarks] 川野研究室
  • URL: http://web.tuat.ac.jp/~rjkawano/index.html