2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Molecular Memory / Molecular Learning Circuits 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 |
20H05971
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中茎 隆 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30435664)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
嶋田 直彦 東京工業大学, 生命理工学院, 助教 (10423972)
小宮 健 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 研究員 (20396790)
川又 生吹 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30733977)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 分子コンピューティング / 記憶と学習 / 可塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミニマル人工脳の条件反射獲得のための情報処理機構（条件反射回路）を実現すべく，必要となる3つの要素技術の開発を進めた。
(1)増幅機構：化学反応回路に印加される極めて微小な入力刺激(入力分子の濃度)を受けて，人工核酸を使用せずとも非特異増幅を抑制し，10万倍以上のシグナルを増幅する機構について，カスケード化と増幅性能の関係を明らかにし，DNAナノマシンの機械動作を司令できることを実証した。また，UV光照射によって増幅をオンオフする機構や，条件反射回路との連動を目指した実験検討を進め，最終デモでの統合に向けた反応特性に関する知見を得た。
(2)記憶・学習機構：条件反射回路の実現に向けて，幾つかの設計法を同時並行で進めた。酵素フリーでの回路設計については，昨年度までに得られた研究成果を学術論文として発表した。さらに，回路性能を大幅に向上させた改良版の条件反射回路の設計も進めている。また，酵素を利用した回路設計についても実験的な検証を行った。システムのダイナミクスが持つ構造が同じでも，わずかな速度定数の違いで振る舞いが大きく変わるため，候補となるDNA塩基配列を複数設計し，リアルタイムPCRを用いた蛍光の時間発展を測定して，定量的に良し悪しを比較した。また，本領域で開発したDNAの出力順序をプログラム可能なDNA回路を用いて，微小管の集団運動を制御するデモンストレーションを行った。
(3)分子反応の加速機構：光応答性分子ブースターとして新たな光応答性分子の導入を行った。光照射によって光応答性分子が脱離することを紫外可視スペクトル測定により確認した。脱離する光照射時間および添加物の最適化を行ったところ，DTT存在下，1分の光照射でほとんどの光応答性分子が脱離した。鎖置換反応にこの分子を加えたところ，光照射前ではブースト効果は認められなかったが，光照射後は速やかに反応が加速された。
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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
(1)増幅機構：最終目標である人工細胞リポソーム内での1分子応答に必要な入力感度で，十分に速いシグナル増幅を実現しており，実際にリポソーム内で増幅が起こることを他班との連携によって確認している。シグナルに対して1:1の量比で起こるDNAナノマシンの動作だけでなく，シグナルが繰り返し酵素反応を駆動する反応系も構築しており，最終デモに向けて多様な反応との統合が可能な増幅機構へと拡張した。
(2)記憶・学習機構：領域が定める条件反射機構の仕様を満たす回路設計は順調に進んでおり，酵素フリーでの設計法について学術論文として発表済みである。さらに，回路性能を大幅に改善する設計も考案している。また，増幅回路と条件反射回路の連動実験も実施しており，酵素を用いる増幅回路と酵素フリーの条件反射回路が共存して動作するための条件検討を実施した。酵素を利用した設計においては，DNA回路の要素となる，増幅反応，ANDゲート，状態遷移ゲート，について，正しい入力DNAの組み合わせを加えると，期待する出力DNAが放出されることをリアルタイムPCR装置によって確認することができた。実験結果から，反応時間が遅くボトルネックとなる素反応を同定することができたため，要素を統合してシステム化する際の方針が立った。さらに，酵素反応によって駆動されるDNA反応系を，微小管と分子モーターからなるアクチュエータと共存させる条件をみいだすことに成功した。
(3)分子反応の加速機構：光応答性分子を導入した分子ブースターの開発は順調に進んでおり，実験による性能評価も実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)増幅機構：最終デモで多段階の反応からなる応答動作や，変性しやすいタンパク質でできた分子アクチュエータとの統合を実現するには，より短時間でのシグナル増幅や応答動作を可能にする必要がある。増幅機構で酵素反応を高速に駆動する条件探索を行うほか，他班とも連携して光応答性の人工核酸を用いたオンオフ機構との統合を進め，UV光照射を受けて入力から演算，出力までを行う一連の動作と，繰り返しリセットする機構の実現に取り組む。
(2)記憶・学習機構：知的な振る舞いを示す分子システムのデモンストレーションを目指し，昨年度までに開発したDNAの要素反応を統合し，システムとしての機能を検証する。システムには繰り返し入力DNAを加える必要があるため，長時間の測定を安定して行う実験手法を確立する。また，現在はバルク中で反応させているDNA分子システムを，他班と連携することでリポソームへの内包を試み，分子サイバネティクスが想定するデモンストレーションに貢献する。
(3)分子反応の加速機構：作成した光応答性分子ブースターを使って鎖置換反応に基づいた酵素フリーのDNA回路への光照射による加速化を検討する。またDNAツール酵素が用いられたDNA回路と酵素フリーDNA回路の光スイッチングを目指す。
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[Journal Article] Autonomous assembly and disassembly of gliding molecular robots regulated by a DNA-based molecular controller2024
Author(s)
Ibuki Kawamata, Kohei Nishiyama, Daiki Matsumoto, Shosei Ichiseki, Jakia J. Keya, Kohei Okuyama, Masatoshi Ichikawa, Arif M. R. Kabir, Yusuke Sato, Daisuke Inoue, Satoshi Murata, Kazuki Sada, Akira Kakugo, Shin-ichiro M. Nomura
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Journal Title
Science Advances (Accepted)
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] DNA high-pass filter gate2023
Author(s)
Tatsuhiro Saitoh, Kaori Aso, Tom Greef and Takashi Nakakuki
Organizer
The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
Int'l Joint Research
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