2012 Fiscal Year Annual Research Report
知能分子ロボット実現に向けた化学反応回路の設計と構築
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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| Project/Area Number |
24104003
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
小林 聡 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (50251707)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 雅史 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 教授 (00135419)
小宮 健 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (20396790)
藤本 健造 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (90293894)
原 雄介 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90452135)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | DNA論理回路 / 光応答性塩基 / 増幅回路 / ゲルアクチュエータ |
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| Research Abstract |
分子ロボットで利用可能な反応回路を構築するためには，高速かつ高機能な演算素子を開発することが必要である．そこで，本計画班が持つ素子の中で最も有望な，光応答性塩基をさらに高性能化することを試みた．その成果の１つとして，シトシンとメチルシトシンを見極める光架橋反応の開発に成功した．２本鎖DNA中のメチルシトシンに対して秒単位で可逆的に光架橋でき，シトシン上の５位のメチル基の有無というわずかな違いを光架橋反応によって読み取る基本原理を構築することに成功した．また，光応答性塩基を利用した回路の高速化・再利用性に関する新規な発案と，数値計算による検討を行った．また，本計画班が有するDNA ポリメラーゼを利用した１分子状態遷移機械の技術を，センサーからのシグナルに応答して高速に増幅する回路の開発に応用するための基礎実験を進めた．
さらに，スライム型ロボットの運動を実現するためのインターフェースとして，DNA架橋ゲルの開発を行った．核酸等の分子シグナルへの 応答動作に成功するとともに，シグナル感度を向上させるための条件検討を行い，これまでの報告よりも1桁以上高感度化させる見込みが得られた．またこれと並行して，DNAコンピュータによって制御可能なゲルアクチュエータの最適な分子デザインについて検討した．そのようなアクチュエータの分子デザインとして，回路の出力によって弾性率が変化するゲルアクチュエータと，pH振動反応を駆動源として自励駆動するゲルアクチュエータを接着させて作製するバイゲル型アクチュエータを発案した．さらに，DNAによって架橋密度をコントロール可能なゲルアクチュエータとして，新規デンドリマーゲルの合成検討を行った．
また，分散計算理論の立場から反応回路の理論解析を進めるため，分子間の相互作用などを考慮した計算モデルである個体群プロトコルに対する検討を進めた．
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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
本年度は，まず，光応答性塩基の高性能化への取り組みにおいて重要な進展が得られた．シトシンとメチルシトシンを見極める光架橋反応は，回路への問題の符号化方法に対する新たな道具を提供してくれると同時に，その高速性が情報システム論的な立場からも非常に魅力的である．また，一分子状態遷移素子に関する研究も，センサーとのインタフェースにおいて重要な役割を担う増幅回路へ応用するなど，地道ながらも着実な研究の進展を得ることができた．
ゲルアクチュエータとのインタフェースに関しては，DNA架橋ゲルに関する基礎実験を順調に進め，スライム型ロボットの運動を実現するためのインターフェースの開発に向けての重要な足がかりを得ることができた．
さらに，実験系の研究者と理論系の研究者の共同研究に関しては，高速性や再利用性に関連した新たな回路システムの提案を，数値シミュレーション等による数理的検討を通して実施しており，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度得られた成果をさらに発展させることを目指す．まず，光応答性塩基を利用することにより，DNA 論理回路を構築するための基本反応として有望な鎖置換反応を高速化することに，実験系の研究者と理論系の研究者が共同して取り組む．これにより，従来の鎖置換反応に基くDNA 論理回路の計算速度を格段に向上できることが期待される．また，一分子状態遷移機械の素子を用いて，センサーからのシグナルが低濃度の場合でも素子が高速に動作するよう，温度などの反応条件に関して最適化する試みを，更に詳細に実施する。これにより、高速に動作する１分子状態遷移素子を開発することを目指す．
回路素子の再利用性に関しては，非常に難しい課題であるので，まず第一に，記憶を持たない組合せ回路のレベルで，実験系と理論系の研究者が共同することによって，再利用可能な素子の開発を目指す．次に，その技術をさらに進展させて，再利用可能な記憶素子の開発を試みる．
アクチュエータとのインタフェースに関しては，本年度基礎実験を実施したDNA架橋ゲルを利用して、DNA 論理回路によりマクロな応答動作が制御される分子ロボットのインターフェース開発に取り組む。また，多様な可能性を追求するため，これと並行して，回路からの核酸出力に応答する新規ゲルアクチュエータの創成にも取り組む．これにより、センサーが受容した環境情報を処理して外界に応答する分子ロボット実機の創製を目指す．
また、本年度に数値シミュレーションで検討した、DNA ナノ構造を光信号によって制御しながら段階的に生成する反応システムなど，これまでにない全く新しいタイプの分子反応システムを構築することを目指す．
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