Mechanosensitive devices based on a rigid origami model

• Project Area: Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
• Project/Area Number: 21H05873
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 石川 大輔 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (00722919)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: DNAナノテクノロジー / 界面膜 / 折り紙 / ナノメカニクス / 細胞力覚

Outline of Research at the Start

本研究は，細胞がもつ，力学的刺激に対する応答機構である細胞力覚を担う器官の人工的構築を目的とする．具体的には，細胞膜の引張によって開閉する原核細胞の機械受容チャネルを模した人工チャネルを，ナノスケールの剛体折り紙で開発し，二次元平面における界面膜の圧縮と拡張によりその力学的駆動を実証するとともに，膜構成分子の相互作用力と力学的開閉挙動との相関を解明する．この剛体折り紙モデルに基づく機械受容チャネルの開発および二次元の引張力によるその力学的駆動の実証によって，二次元界面という誰にでも扱えるシンプルな系において，細胞膜中の生体分子の機械受容機構を人工的に構築するための方法論を提示する．

Outline of Annual Research Achievements

R3年度に設計を行った、DNAを素材とする人工機械受容チャネルの作製とその形成確認を行った。まず作製プロセスの最適化を行った後に、透過電子顕微鏡観察から設計通りの形状が形成されていることを確認した。さらに、気水界面に局在させるためにチャネルの一部に疎水基を修飾し、これをアガロースゲル電気泳動と油中水滴エマルション観察から確認した。一方、ナノサイズのミウラ折り(ナノミウラ折り)の設計では、ミウラ折りにおけるジグザグな折り線の角度を変えることによって、一軸方向から力学的な力が印可されたときに負のポアソン比を持つ折りたたみが実現されるように、シミュレーションを駆使して設計を繰り返した。ナノミウラ折りは、展開した際の横方向のサイズに対して、厚さの比率が高いため、DNA二重らせんの逆位相における連結に加えて、厚さがない場合と同様の動作範囲を維持可能な軸シフト法によって、山折りと谷折りを表現することに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] 小胞間シグナル伝達のための動的チャネル開発 (2022)
  • Author(s): 石川大輔
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）分子サイバネティクス公募班進捗報告会
• [Presentation] DNAナノテクノロジーを駆使した人工細胞構成素子の開発 (2022)
  • Author(s): 石川大輔
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）分子サイバネティクス 第2回領域会議
• [Presentation] Abiotic synthesis and catalytic activity of iron-sulfur clusters (2022)
  • Author(s): Daisuke Ishikawa
  • Organizer: International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) Kotakinabalu 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 小胞間シグナル伝達のための動的チャネル開発 (2022)
  • Author(s): 石川大輔
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）分子サイバネティクス 第11回領域セミナー
  • Invited
• [Presentation] DNAオリガミ構造体とDNAハイドロゲル粒子で創る人工細胞 (2021)
  • Author(s): 石川大輔
  • Organizer: 東京工業大学循環共生圏農工業研究推進体(SEAI)オンラインワークショップ
• [Remarks] 東京医科歯科大学生体材料工学研究所精密医工学分野ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/ikeuchi-lab/home
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ishi-d
• [Remarks] ResearcherID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/I-5303-2015
• [Remarks] google scholar
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=BV_C_T0AAAAJ&hl=ja&oi=ao