Development of DNA Origami Photoactuators Utilizing Photoresponsive Hairpin Structures

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 19H05407
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 葛谷 明紀 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00456154)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: DNAオリガミ / 分子機械 / アゾベンゼン / 高速AFM

Outline of Research at the Start

独自に開発した二状態遷移する世界初のDNAオリガミ分子機械を用いて、熱エネルギーを駆動源として能動的に動作するDNAオリガミアクチュエーターを開発することを目的とする。特に、その駆動部として光照射により構造変化するアゾベンゼンを導入したヘアピンDNAを導入することで、熱エネルギー変換の光スイッチングによるDNAオリガミアクチュエーターの超高速開閉動作を実現することをめざす。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、代表者が独自に開発した二状態遷移する世界初のDNAオリガミ分子機械DNA Pliers(Nature Commun., 2011, 2, 449)およびその改良版であるDNA Chopsticksを用いて、熱エネルギーを駆動源として能動的に動作するDNAオリガミアクチュエーターを開発することを目的とする。特にDNA ChopsticksをDNAオリ ガミアクチュエーターの筐体として使用し、その駆動部として光照射により構造変化するアゾベンゼンを導入したヘアピンDNAを導入することで、熱エネルギー変 換の光スイッチングによるDNAオリガミアクチュエーターの超高速開閉動作を実現することをめざす。前年度までに、研究で使用するアゾベンゼン分子を導入した DNA Chopsticksの合成と、AFM観察までを達成したのを受け、本年度は光応答性DNA Chopsticksが構造変化する様子を高速AFMでリアルタイム単分子観察することを試みた。これまでにマイカ基板上でのDNA Chopsticksの運動性を高めることがわかっているNa+の添加と、アゾベンゼンをトランス体からシス体に異性化させ、DNA Chopsticksに導入したヘアピン構造を破壊するUVの照射を組み合わせたところ、照射からおよそ30秒で、閉じた構造から開いた構造に変化したDNA Chopsticksが複数観察された。今後も引き続き、可視光照射に伴うヘアピン構造再形成による開いた構造から閉じた構造への変化の観察を試みる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッ ヒ校(スイス)
• [Int'l Joint Research] ヤギエヴォ大学(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)
• [Int'l Joint Research] ヤギエヴォ大学(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] ドレスデン工科大学(ドイツ)
• [Journal Article] Modeling a Microtubule Filaments Mesh Structure from Confocal Microscopy Imaging (2020)
  • Author(s): Ueno Yutaka、Matsuda Kento、Katoh Kaoru、Kuzuya Akinori、Kakugo Akira、Konagaya Akihiko
  • Journal Title: Micromachines Volume: 11 Issue: 9 Pages: 844-844
  • DOI: 10.3390/mi11090844
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of DNA Quadruplex Hydrogels Prepared from Polyethylene Glycol-Oligodeoxynucleotide Conjugates to Cell Culture Media (2019)
  • Author(s): Shizuma Tanaka, Shinsuke Yukami, Yuhei Hachiro, Yuichi Ohya, Akinori Kuzuya
  • Journal Title: Polymers Volume: 11 Issue: 10 Pages: 1607-1607
  • DOI: 10.3390/polym11101607
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Artificial Smooth Muscle Model Composed of Hierarchically Ordered Microtubule Asters Mediated by DNA Origami Nanostructures (2019)
  • Author(s): Matsuda Kento、Kabir Arif Md. Rashedul、Akamatsu Naohide、Saito Ai、Ishikawa Shumpei、Matsuyama Tsuyoshi、Ditzer Oliver、Islam Md. Sirajul、Ohya Yuichi、Sada Kazuki、Konagaya Akihiko、Kuzuya Akinori、Kakugo Akira
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 19 Issue: 6 Pages: 3933-3938
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ターゲットと相互作用して開閉するDNAオリガミ分子機械の高速AFMによるリアルタイム観察 (2020)
  • Author(s): 葛谷明紀
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
  • Invited
• [Presentation] シクロデキストリンロタキサン/DNAオリガミ複合体の高速AFMによるリアルタイム単分子観察 (2020)
  • Author(s): 山本裕貴, 赤松直秀, 大矢裕一, 葛谷明紀
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] シクロデキストリンロタキサンとDNAオリガミを用いた分子そろばんの構築 (2020)
  • Author(s): 山本裕貴, 赤松直秀, 大矢裕一, 葛谷明紀
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] DNAでキャップされたシクロデキストリンロタキサンのDNAオリガミへの位置選択的組み込み (2020)
  • Author(s): 山本裕貴, 赤松直秀, 大矢裕一, 葛谷明紀
  • Organizer: 第4回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] Real-Time AFM Observation of DNA-Capped CyD Rotaxane Attached to a DNA Origami Pegboard (2020)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: Bionano 2020 Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Real-Time Observation of The Movements of DNA Origami Pinching Devices on Mica Using High-Speed AFM (2019)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: 16th Annual Conference on Foundations of Nanoscience (FNANO 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA Quadruplex Hydrogels Prepared by Liquid-Phase Large Scale DNA Synthesis (2019)
  • Author(s): Akinori Kuzuya
  • Organizer: Commemorative International Symposium of Nucleic Acid Chemistry (CISNAC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 関西大学 学術情報システム
  • URL: http://gakujo.kansai-u.ac.jp/profile/ja/e43atXUd5P3aff3deIc240Ib6.html
• [Remarks] 関西大学 化学生命工学部 知能分子学研究室 研究業績
  • URL: https://wps.itc.kansai-u.ac.jp/mol-mach/publications_chr/