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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Molecular Actuation Systems for Minimal Artificial Brain

Planned Research

Project AreaMolecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
Project/Area Number 20H05972
Research InstitutionKansai University

Principal Investigator

葛谷 明紀  関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00456154)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 瀧口 金吾  名古屋大学, 理学研究科, 講師 (20262842)
上杉 薫  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (20737027)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Keywords分子モーター / DNA / 化学エネルギー / リポソーム
Outline of Annual Research Achievements

本研究ではミニマル人工脳を構成する3種のニューロイド(人工細胞リポソーム)のうち、「変形」およびその結果としての「他SPAユニットとの二次的接続」を担うアクチュエータニューロイド(Aユニット)の構築を行い、SPAユニットネットワークの「展開」を実現することを目的としている。
葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として、リポソーム変形にかわる別の手段として、DNAの分子情報によって制御された生物発光を利用する系を開発しており、これの最適化を行った。具体的には、DNA末端で再構築したスプリット発光タンパクからのエネルギーを、DNAに配列化した蛍光分子間のエネルギ移動を介して伝送していく系を構築すると共に、DNAに結合した蛍光染色試薬をメディエーターとして活用することで20 nm程度まで長距離伝送することに成功した。加えて、リポソーム膜に電荷的にDNAオリガミ構造体を結合する条件を確立し、溶液の浸透圧変化に応答したリポソーム変形を実現した。
瀧口はSPA3連リポソーム配列用デバイスに捕捉した状態での、アクチン線維を封入したリポソームの変形の誘導およびその操作のための条件検討を行った。
上杉はマイクロピペット吸引法システムに関して、システムを半閉鎖系にし、試料の熱対流を抑えることを検討した。また、併せてシステム全体を最適化するための改良も行った。マイクロ流体デバイスシステムに関しては、より効率的に実験ができるよう流路を改良した。また、圧力や流量をより精密に制御できるようシステムの改良も行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

DNAオリガミの結合にともなうリポソーム変形機構の開発に成功し、当初の目標であった「DNA分子情報をトリガーとしたリポソームの変形誘導」の達成にめどがたった。

Strategy for Future Research Activity

葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として開発したDNA足場多色生物発光素子の最適化を完了する。具体的には、リポソーム膜を介した光エネルギー伝送系を構築し、リポソーム内外の状態変化に応じて、リポソーム膜を超えて光信号で情報伝達するシステムを確立する。加えて、リポソーム膜に結合したDNAオリガミによる変形誘導の系についても、分子信号による制御を試みると共に、その機構の解明を行う。
瀧口は引き続きSPA3連リポソーム配列用デバイスに捕捉した状態での、アクチン線維を封入したリポソームの変形の誘導およびその操作に挑戦する。またアクチン線維を封入したリポソームの膜の力学測定についてもデータをまとめる。
上杉は特にマイクロ流体デバイスシステムの改良を継続し、圧力や流量を精密に制御できるシステムを完成させる。並行して、領域内で使用される様々な組成のリポソームや、内部物質を添加したリポソームの機械的特性評価を行う。

  • Research Products

    (28 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 2 results) Remarks (4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] From Molecular Robotics to Molecular Cybernetics: The First Step Toward Chemical Artificial Intelligence2023

    • Author(s)
      Kuzuya Akinori、Nomura Shin-Ichiro M.、Toyota Taro、Nakakuki Takashi、Murata Satoshi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications

      Volume: 9 Pages: 354~363

    • DOI

      10.1109/TMBMC.2023.3304243

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] リポソーム膜へのDNA Origami結合による変形誘導2024

    • Author(s)
      川合充佳乃, 田花汐理, 葛谷明紀
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] DNA足場多色生物発光素子を用いたディスプレイデバイスの開発2024

    • Author(s)
      乾俊輝, 高野史章, 葛谷明紀
    • Organizer
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] 向きの揃った膜貫通DNAユニットのその場合成2024

    • Author(s)
      武原春奈, 西田琢臣, 葛谷明紀
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会(2024)
  • [Presentation] スプリット発光タンパク質を分子内単分子励起光源としたマルチステップ分子内エネルギー移動2023

    • Author(s)
      南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
    • Organizer
      第69回高分子研究発表会(神戸)
  • [Presentation] Efficient DNA-Scaffolded Intramolecular Energy Transmission utilizing Split Luciferase as Single- Molecular Energy Source2023

    • Author(s)
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Fumiaki Takano, Akinori Kuzuya
    • Organizer
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNA-Scaffolded Bioluminescence Energy Transfer System (dsBRET) for Precisely Controlled Multi-Color Bioluminescence2023

    • Author(s)
      Akinori Kuzuya, Fumiaki Takano, Yuki Minamide, Shiori Tabana, Tomoya Niki, Koichi Tanimoto
    • Organizer
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNA に固定した発光タンパク質を分子内単分子励起光源とするエネルギー伝送系の構築2023

    • Author(s)
      南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
    • Organizer
      第33回バイオ・高分子シンポジウム
  • [Presentation] DNA分子情報による生物発光の精密制御2023

    • Author(s)
      高野史章, 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • Organizer
      第33回バイオ・高分子シンポジウム
  • [Presentation] DNAを足場とした長距離光エネルギー伝送系の構築2023

    • Author(s)
      南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • Organizer
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
  • [Presentation] Manipulation of Bioluminescence with DNA2023

    • Author(s)
      Akinori Kuzuya
    • Organizer
      The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
    • Invited
  • [Presentation] Precise Control of Bioluminescence Energy Transfer with DNA2023

    • Author(s)
      Akinori Kuzuya
    • Organizer
      The 10th International Conference on DNA Nanotechnology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Precise Control of Bioluminescence Resonance Energy Transfer with DNA2023

    • Author(s)
      Akinori Kuzuya
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNAを足場とした生物発光エネルギー伝送系の構築2023

    • Author(s)
      南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • Organizer
      第72回高分子討論会
  • [Presentation] DNA末端における再構成型BRETシステムを応用した光エネルギー伝送路の開発2023

    • Author(s)
      南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • Organizer
      第13回CSJ化学フェスタ2023
  • [Presentation] Long-range energy transfer using DNA-scaffolded BRET system2023

    • Author(s)
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
    • Organizer
      CBI学会2023年大会
  • [Presentation] Construction of DNA-Scaffolded Long-Range Intramolecular Energy Transmission System2023

    • Author(s)
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
    • Organizer
      The 50th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry(ISNAC2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜の挙動に対するアクチン封入の影響2023

    • Author(s)
      別所 賢、菊本 真人、水谷 友紀、伊藤 萌香、瀧口 金吾
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会 16.0
  • [Presentation] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜小胞の挙動に対するアクチン封入の影響2023

    • Author(s)
      別所 賢, 菊本 真人, 水谷 友紀, 伊藤 萌香, 瀧口 金吾
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会
  • [Presentation] リポソームの膜張力評価を目指したマイクロ流体システムの開発2023

    • Author(s)
      柏木悠里, 豊田太郎, 長山和亮, 上杉薫
    • Organizer
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
  • [Presentation] マイクロピペット吸引法を用いた膜組成の異なるリポソームの機械的特性評価2023

    • Author(s)
      清田匠, 豊田太郎, 長山和亮, 上杉薫
    • Organizer
      日本機械学会 M&M2023 材料力学カンファレンス
  • [Presentation] 分子ロボットへの応用を目指した,マイクロ流体デバイスによるリポソームの機械的特性評価2023

    • Author(s)
      上杉 薫, 柏木 悠里, 豊田 太郎, 長山 和亮
    • Organizer
      日本機械学会2023年度年次大会
  • [Presentation] Simultaneously evaluation of mechanical properties for multiple liposomes with a microfluidic device constructed rectangular-shaped funnel channels2023

    • Author(s)
      Kaoru Uesugi, Taro Toyota and Kazuaki Nagayama
    • Organizer
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 学術変革領域研究(A)分子サイバネティクス

    • URL

      https://molcyber.org/

  • [Remarks] 関西大学 化学生命工学部 知能分子学研究室

    • URL

      https://wps.itc.kansai-u.ac.jp/mol-mach/

  • [Remarks] 研究者総覧 瀧口金吾

    • URL

      https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100000929_ja.html

  • [Remarks] 茨城大学大学院 理工学研究科 機械システム工学専攻 上杉薫

    • URL

      http://uesugilab.mechsys.ibaraki.ac.jp/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] エネルギー伝送路として利用可能な複合物質2023

    • Inventor(s)
      葛谷明紀, 南出悠貴
    • Industrial Property Rights Holder
      関西大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2023-131184

URL: 

Published: 2024-12-25  

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