• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2023 Fiscal Year Annual Research Report

DNA Nanoscale Modality

Planned Research

Project AreaGenome modality: understanding physical properties of the genome
Project/Area Number 20H05935
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (20511249)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 宏明  中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
KeywordsDNAナノテクノロジー / 人工染色体 / 人工クロマチン / 人工細胞 / 人工細胞核 / マイクロ流体工学 / 分子ロボティクス / DNA液滴・DNAゲル
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、DNAが、ナノ情報を元に、細胞核スケールの微小空間で、いかにしてメゾ・マイクロスケールのマルチモーダルなゲノムDNAの構造・物性・機能(液-液相分離、分子内相分離、界面張力、粘弾性、体積相転移、非平衡性など)を発現するのか、そのソフトマター物理学的な起源は何かということを解明することである。今年度、研究代表者・瀧ノ上は、DNA液滴・RNA液滴といった、メゾ・マイクロスケールの集合体とその構成要素であるナノスケールのDNAナノ構造との関係を、粘性・表面張力等の基礎物性と塩基配列の関係の点から詳細に調べた。その結果、RNA液滴はDNA液滴と類似した液体的な振る舞いは示すが、同じ塩基配列であっても安定性が異なるなど、特異な性質を示すことを明らかにした。このRNA液滴を利用することで、miRNAなどの配列を認識して融解するなど分子コンピューティングや分子センシングへの応用可能性も示した。また、従来とは異なる、正四面体型のモノマーを用いた液滴が形成できること、ナノファイバーの絡み合いによっても液滴が形成しうることなど、新奇の物性を発見した。
分担者の鈴木は、研究代表者・瀧ノ上と協力し、マイクロ流路による均一GUV生成技術を発展させ、細胞を模擬した人工脂質膜小胞へのDNA凝集体の封入と生成制御を行う技術を確立させた。この系を用い、DNA凝集体を、人工核としてのタンパク質発現の拠点として機能させる。また、振動誘起流れを用いたDNA凝集体を含む水性相分離液滴のマクロサイズ制御法を確立した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究代表者・瀧ノ上は、計画にある通り、数nmサイズのDNAナノ構造を多数集積させた数μmサイズ(細胞核サイズ)のDNAマイクロゲルを構築し、DNAナノ構造やDNA塩基配列とマイクロサイズのゲルの物性(粘弾性等)の関係を探るとともに、液-液相分離現象とマイクロ流体デバイスを利用した均一サイズのDNAマイクロゲルを構築する技術の開発に成功している。
分担者・鈴木は、新しい流体デバイスを開発し、ゲノム研究のためのDNA液滴を均一に生成し、制御する方法を確立している。
代表者、分担者ともに、研究計画書に記載の実施内容について予定通り順調に研究を進めており、成功を収めている。実施過程で正四面体DNAモチーフが紐状構造を示すなどの新たな発見もあり、それを発展させている。
以上により、概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である2024年度は、代表者・瀧ノ上は、これまでの基礎技術を発展させ、DNA液滴等のメゾ・マイクロスケールのDNA集合体(DNA液滴)からのRNA転写の制御に関して研究を行い、本プロジェクトをさらに発展させる。これを通して、DNA液滴と別の酵素反応等のカップリングによる、ゲノムモデルとしてのDNA液滴の動的な挙動の実現と制御を行う。
分担者・鈴木は、マイクロ流路による均一GUV生成技術とDNA液滴生成技術を発展させ、混雑環境やカチオン性タンパク質(DNA結合タンパク質)などがゲノムモデルであるDNA液滴や、長鎖DNAにどのように影響を与え、生化学的な反応を制御するかについて、研究を進める。
このような技術は、細胞内でのゲノムの挙動をモデル化した実験を提供し、ゲノムサイズDNAの物理的な性質と生体分子反応の相互作用による、動的モデルの実現を促し、他班に提供するとともに、新たな現象の探索に応用する。
さらに、このような技術を生体分子センシングや生体分子コンピューティングへ応用する方法についても模索する。

  • Research Products

    (41 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 9 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Cambridge/Imperial College London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University of Cambridge/Imperial College London
  • [Int'l Joint Research] Stony Brook University/New York University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Stony Brook University/New York University
  • [Int'l Joint Research] University of Geneva(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      University of Geneva
  • [Journal Article] Scanning electrochemical microscopy for determining oxygen consumption rates of cells in hydrogel fibers fabricated using an extrusion 3D bioprinter2024

    • Author(s)
      Ino Kosuke、Wachi Mana、Utagawa Yoshinobu、Konno An、Takinoue Masahiro、Abe Hiroya、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Analytica Chimica Acta

      Volume: 1304 Pages: 342539~342539

    • DOI

      10.1021/acssynbio.3c00629

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Liquid DNA Coacervates form Porous Capsular Hydrogels via Viscoelastic Phase Separation on Microdroplet Interface2024

    • Author(s)
      Morita Masamune、Sakamoto Tetsuro、Nomura Shin‐ichiro M.、Murata Satoshi、Yanagisawa Miho、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Advanced Materials Interfaces

      Volume: 11 Pages: 2300898

    • DOI

      10.1038/s41378-023-00606-z

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] DNA-origami-armored DNA condensates2024

    • Author(s)
      Yamashita Nagi、Sato Yusuke、Suzuki Yuki、Ishikawa Daisuke、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      ChemRxiv

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1002/admi.202300898

    • Open Access
  • [Journal Article] Fabrication and Cell Culture Applications of Core‐Shell Hydrogel Fibers Composed of Chitosan/DNA Interfacial Polyelectrolyte Complexation and Calcium Alginate: Straight and Beaded Core Variations2023

    • Author(s)
      Utagawa Yoshinobu、Ino Kosuke、Takinoue Masahiro、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Advanced Healthcare Materials

      Volume: 12 Pages: -

    • DOI

      10.3390/mi14112010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sequence-dependent fusion dynamics and physical properties of DNA droplets2023

    • Author(s)
      Sato Yusuke、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 5 Pages: 1919~1925

    • DOI

      10.1063/5.0192387

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Programmable computational RNA droplets assembled via kissing-loop interaction2023

    • Author(s)
      Udono Hirotake、Fan Minzhi、Saito Yoko、Ohno Hirohisa、Nomura Shin-ichiro、Shimizu Yoshihiro、Saito Hirohide、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      ChemRxiv

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1039/D3NA00073G

    • Open Access
  • [Presentation] miRNAの入力に応じてAND演算を行うRNA液滴2024

    • Author(s)
      鵜殿寛岳、范敏之、齊藤洋子、大野博久、野村M.慎一郎、清水義宏、齊藤博英、瀧ノ上正浩
    • Organizer
      CBI学会分子ロボット倫理研究会
  • [Presentation] DNAオリガミ構造体の自己集合化によるDNAオリガミ装甲化DNA凝縮体の構築2024

    • Author(s)
      山下和誼,佐藤佑介,鈴木勇輝,石川大輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Dual-sensing Mechanical Hydrogel Biosensor Composed by Aptamer Recognition and DNA Logic Gates2024

    • Author(s)
      Satofumi Kato, Masahiro Takinoue, Hiroaki Onoe
    • Organizer
      The 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] プログラム可能な相分離液滴による分子コンピューティングと人工細胞構築2024

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      サイテックサロン
    • Invited
  • [Presentation] Selective liposome capture in DNA droplets (DNA液滴における選択的なリポソーム捕捉)2023

    • Author(s)
      Ryoya Hasegawa, Jing Gong, Shin-Ichiro M. Nomura, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] 生体条件下におけるDNA液滴への選択的ナノリポソームの取り込み2023

    • Author(s)
      長谷川諒弥、Jing Gong、野村 M. 慎一郎、瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] DNA condensate capable of photocontrollable rheological change creates multi-mode DNA microflow2023

    • Author(s)
      Hirotake Udono, Shin-ichiro. M. Nomura, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Kissing-loop相互作用により構築されたRNA液滴によるAND論理演算2023

    • Author(s)
      鵜殿寛岳、范敏之、齊藤洋子、大野博久、野村M.慎一郎、清水義宏、齊藤博英、瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Control of deoxyribozyme activity by computational DNA droplets2023

    • Author(s)
      Naoki Yoshida, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] DNA liquid-liquid phase separation engineering for a switch element in DNA reaction networks2023

    • Author(s)
      Yuta Aizaki, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Design of phase-separation switch element for DNA droplet. (DNA液滴のための相分離スイッチ素子の設計)2023

    • Author(s)
      Yuta Aizaki, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Controlled division of DNA droplet-based artificial cells coupled with enzymatic time delay circuit2023

    • Author(s)
      Tomoya Maruyama, Ryohei Furuichi, Akihito Yamamoto, Jing Gong, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNA液滴ベース人工細胞の分裂時間制御2023

    • Author(s)
      丸山智也, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会 16.0
  • [Presentation] Controlled division of DNA droplet-based artificial cells coupled with enzymatic time delay circuit2023

    • Author(s)
      丸山智也, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] DNAオリガミマイクロカプセルとDNAハイドロゲルでできた異種人工細胞間の通信2023

    • Author(s)
      山下和誼,Marcos K. Masukawa,茶野真由美,佐藤佑介,湊元幹太,吉川研一,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会16.0
  • [Presentation] STIMULI-RESPONSIVE DNA ORIGAMI MICROCAPSULES2023

    • Author(s)
      Nagi Yamashita,Marcos K. Masukawa,Mayumi Chano,Yusuke Sato,Kanta Tsumoto,Kenichi Yoshikawa,Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 27th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Communication between different types of artificial cells based on DNA origami microcapsules and DNA hydrogels2023

    • Author(s)
      Nagi Yamashita,Marcos K. Masukawa,Mayumi Chano,Yusuke Sato,Kanta Tsumoto,Kenichi Yoshikawa,Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] DNAコンピューティング液滴の金表面上での液-液相分離2023

    • Author(s)
      吉田光輝,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] DNAゲルコンピューティングの計測に向けた電気デバイスの開発2023

    • Author(s)
      吉田光輝,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] Assembly and Applications of Liquid-like Condensates Formed from Sequence-Designed DNA nanostructures2023

    • Author(s)
      佐藤佑介
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Regulation of spatiotemporal formation of DNA droplets2023

    • Author(s)
      甲斐省吾,佐藤佑介
    • Organizer
      CBI学会2023年大会
  • [Presentation] 核酸診断のための増幅機能を持つDNA液滴コンピュータの開発2023

    • Author(s)
      堀田遥香
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] 核酸をセンシングして自律移動する微小DNA液滴2023

    • Author(s)
      高木幹太, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第48回化学とマイクロ・ナノシステム学会
  • [Presentation] 核酸をセンシングして自律移動するDNA液滴の構築2023

    • Author(s)
      高木幹太, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] Artificial cell engineering with DNA droplets2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      Build-a-Cell Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 分子コンピュータと人工生命2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第54回一橋祭「一橋大学・東京工業大学合同講義」
    • Invited
  • [Presentation] ゲノムサイズの核酸集合体の液-液相分離のデザイン・制御と応用2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
    • Invited
  • [Presentation] 分子ロボットがひらく未来2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      読売テクノ・フォーラムセミナー
    • Invited
  • [Presentation] DNA/RNAの液-液相分離液滴の制御2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      ソフトバイオ研究会2023
    • Invited
  • [Presentation] DNA コンピューティングに基づく知的人工細胞の構築2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      電子情報通信学会 システムナノ技術に関する特別研究専門委員会
    • Invited
  • [Presentation] 非平衡システムによる動的な人工細胞の構築2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第一回「物質、デバイス、生命の融合」研究会
    • Invited
  • [Remarks] 瀧ノ上研究室ホームページ

    • URL

      https://takinoue-lab.jp/

URL: 

Published: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi