2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Molecular Information Transmitting Devices for Minimal Artificial Brain
| Project Area | Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry |
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| Project/Area Number |
20H05970
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
野村 慎一郎 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50372446)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松浦 和則 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (60283389)
佐藤 佑介 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (60830560)
村山 恵司 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70779595)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 人工情報伝達分子 / 人工トランスデューサ / 分子サイバネティクス / 分子ロボティクス / 人工細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
領域が目標に掲げるミクロンサイズの人工脳(ミニマル人工脳)の構築に向け，本課題では，特にセンサと人工細胞膜小胞（リポソーム）間の情報伝達部分を構成する分子デバイスの実現，さらに学習反応のために再利用（リセット）可能な分子デバイス設計を行っている．本年も引き続き， 3種の情報伝達分子デバイス1)人工タイトジャンクション，2)人工レセプター，3)人工トランスデューサの設計・構築と評価を行い，4)これらの機構を外部からの光照射によりリセット可能とする分子デザインについて検討した．1)2）について，野村グループは松浦・佐藤と共に人工レセプターと人工ジャンクションの設計を行い，試作した分子デバイスが膜小胞上で機能することを確認した．松浦グループでは，人工設計・合成した膜貫通α-へリックスペプチドをリポソームに搭載し、シグナルDNAとのハイブリダイゼーションにより膜内でのペプチドの会合が起こることをFRETにより確認することに成功した。３）について，佐藤と野村が共同で，人工細胞膜上で機能する分子トランスデューサの具体的な設計と最適条件の探索を進め，複数種の分子デザインについて評価を行った．４）について，村山グループでは，トランスデューサの入力側に関する光リセット機構の検証を行った。配列最適化の結果、リポソームの表面で光応答性DNAの会合挙動を光制御できること、すなわち光リセット機構が実現可能であることを証明した。さらに膜貫通ドメインの作成に向け、人工核酸骨格に疎水性分子を高効率で導入する手法の確立に成功した。上記に加えて，領域全体へのサービスとしてペプチド合成拠点（鳥取大）と人工核酸合成拠点（名古屋大）を運営している．本年度は17件の論文発表を行った．毎月ミーティングを重ね，ロードマップの確認やアイディアの検討，議論を進めた．以上の実績により本領域を強力に推進する成果が得られつつある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は3種＋1項目の情報伝達分子デバイスの設計・構築と評価を進めた．1)人工タイトジャンクション，2)人工レセプター，3)人工トランスデューサ，加えて4)上記の分子デバイスを再利用（リセット）可能にする機構，である．そのそれぞれについて個々の，そして共同研究による進捗と課題へのアプローチが進んでいる．特に，1)の人工ペプチド製タイトジャンクションが動作確認された（野村・松浦・佐藤）．2)と3)について，リポソーム膜越しの情報伝達のために，形状変化により核酸シグナルを伝達する可動機構の設計および評価を行ない，変形が示唆される結果が得られたこと（野村・佐藤），そしてシンプルな情報伝達機構として2本鎖DNAの膜貫通を試み，シグナルDNAを付与した2本鎖DNAを膜貫通させることに成功した（佐藤）．さらに，4)のリセット機構について，村山によって複数回のON/OFFをリポソーム上で実現可能であることが示された．以上の進捗によって，領域が目指す「分子パブロフの犬」実現へのロードマップが明瞭になりつつある．そしてペプチド合成拠点（拠点長・松浦）と人工核酸合成拠点（拠点長・村山）が稼働しており，これら拠点を利用した分子デザイン→供給→テスト，という流れが確立したことから，おおむね順調に進んでいると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，本課題の要素技術として3種＋1項目の情報伝達分子デバイスの設計・構築と評価を進め，他班との連携を目指して技術開発を行う．1)人工タイトジャンクション:選択的にリポソーム同士を隣り合わせて結合する定性的な評価に続いて，選択性の向上や人工レセプター，人工トランスデューサとの協働などより高次の機能を定量的に評価する．2)，3）人工レセプターと人工トランスデューサについて，1)の結果に基づき，連結させたリポソーム間での情報伝達機構の測定を行う．A01班との連携により得られる，サイズの揃ったリポソームに対して動作試験を行い，情報伝達機構を評価する．そして4）として，光リセット機構を有する膜局在型の分子デバイスを設計し，リポソーム膜上での機能評価を行う．これらに加えて，他班（C01班，D01班）で研究される学習・運動機構との連携を行い，外部からの光照射様式を含めた複数のデザインを評価する．研究グループ全体として，オンラインツールを駆使して他班も含めて課題を共有しつつ密な議論を行い，公募班も含めた領域全体で連携して，研究を強力に進める予定である．
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