2022 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 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (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化学AIの構築に向け，本課題では，人工細胞膜小胞（GUV）の情報伝達を司り，かつ学習反応のためのリセットが可能な分子デバイスの設計と評価を行っている。本年度も引き続き，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と，4)光照射によりリセット可能な分子デザインについて設計・構築と評価，検討を行った。野村グループは佐藤グループと共同で，引き続きDNAナノテクノロジーを基盤とした信号伝達分子デバイスの構築を行っている。GUVの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を評価しており，核酸分子配列の伝達が直交性を有することを示した。これらの分子デバイスは，疎水分子の修飾により構造が凝集しやすく，精製が困難な課題がある。この課題に対し，野村と佐藤は共同で，界面活性剤を援用した新規構造精製方法を開発することに成功した。さらに，cmスケールの人工多細胞体の構築手法を確立し，報告した。これは化学AI素子の別の形態として（マイクロ流体デバイス外部で）の利用が期待される。松浦グループでは，スピロピラン(SP)修飾β-シート形成ペプチドを合成し，これをGUVに内包させ光照射することで，球状からワーム状ベシクルへの可逆的かつ劇的な形態変化に成功した。村山グループでは，人工核酸L-aTNA骨格のメチル基に疎水性基を導入した新規人工核酸を創出し，その三重鎖を膜貫通ドメインとして応用することを試み，コレステロールで修飾した場合，設計通りの三重鎖状態で膜貫通することが示された。これらの進展に加え，松浦グループはペプチド合成拠点を，村山グループは核酸合成拠点をそれぞれ運営しており，公募班を含む領域全体へのサービスと共同研究を引き続き強力に進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度も引き続き，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が，本年度はさらに，下記のような特筆すべき進展があった。本計画で開発する分子センサやトランスデューサなど，リポソーム膜で動作するDNAナノデバイスの取り扱いに不可欠なのが，疎水性修飾された人工分子の単離・精製であり，佐藤と野村は共同でその手法を確立し報告した。脂質膜に結合するDNAナノテク製人工分子デバイスは数多く報告されるものの，定量的な機能評価のための単離・精製が大きなハードルとなっていた。今回，見出した分子デバイスを界面活性剤共存下で処理する手法はシンプルかつ有効であり，本領域発の新技術として発展的に用いられることが期待され，重要な論文としてエディタからも高く評価された。また，野村らは人工多細胞体を簡便かつ大量に生産する手法を，報告した。この構造は自己集合で形成されるcmスケールに及ぶヘミフュージョン体であり，各区画が脂質二分子膜で隔てられていることから，本領域が目指す人工細胞間相互作用の構築と評価を行うための強力なプラットフォームとなり得る。さらに，松浦らは，スピロピラン修飾β-シート形成ペプチドを合成し，光照射による可逆的なペプチドナノファイバーの形成・解離の制御に成功し，これを巨大リポソームに内包させることで，球状からワーム状ベシクルへの光照射による可逆的かつ劇的な形態変化に成功した。これらの進展は当初の計画には見込まれておらず，しかし領域全体が直面する困難を打破する技術であり，今後の計画推進をサポートする重要なものであると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
化学AIの素子形成と動作に向けて，引き続き，本課題の要素技術である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，他班と連携した技術開発を行う。1)人工タイトジャンクションと2)人工レセプター，3）人工トランスデューサについて，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。そして4）光リセット機構を有する膜局在型の分子デバイスについて，2)3)との連携が可能な分子設計を行う。これらに加えて，野村グループによる，分子トランスデューサとして膜貫通型のdsDNAを用いる手法は，複数種のDNA分子をリポソーム内部に導入可能であることが示された。これは，単独の分子システムで，外部からの複数種類のDNA分子信号（たとえばパブロフの犬反応での肉とベル信号）を同時にリポソーム内に導入することが可能であることを示している。さらに，C01班小宮らが構築中の，リポソーム内DNA増幅系を外部からのDNA信号入力で起動できることも示された。課題は，成功率が低い点であり，班間連携により伝達率の向上に取り組んでいく。加えて，野村グループの大規模人工多細胞体への適用可能性についても調査する。また，A01班豊田・濵田らとの共同研究により，マイクロ流体デバイス内で整列されたリポソームで，松浦グループのペプチドによる光応答性形態変化の確認を進める。さらに，B01川又，D01班Kabirらとの共同研究により，野村グループでは，微小管の集合-離散反応をDNA回路によって自動制御する実験系を確立しつつあり，DNA回路によるアクチュエータの操作実現を目指す。これらの研究を通じて，B01班の分子デバイス開発を，本領域研究が目標とする化学AIの素子形成へと集約し，さらに素子同士の連係動作を目指して研究を推進する。
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