2013 Fiscal Year Annual Research Report
アメーバ型分子ロボット実現のための要素技術開発とその統合
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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| Project/Area Number |
24104004
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小長谷 明彦 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (00301200)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛谷 明紀 関西大学, 工学部, 准教授 (00456154)
角五 彰 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10374224)
平塚 祐一 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, 准教授 (10431818)
瀧口 金吾 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20262842)
野村 慎一郎 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372446)
松浦 和則 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60283389)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / 人工生命システム / 生命分子計算 / DNAナノ構造 / ペプチドナノ構造 / 巨大リポソーム / 分子モーター制御 / 生体分子シミュレーション |
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| Research Abstract |
アメーバ型分子ロボットプロトタイプの実現に向けて，前年度に引き続き，班員が持つ技術の統合化を進めた．2013年度は，アメーバ運動を実現に向けて，DNA配列およびDNAナノ構造を用いた分子レベルでの微小管およびアクチンフィラメントの運動制御ならびにリポソーム全体の変形操作ならびに運動制御に注力した．具体的には下記の共同研究を推進した．
DNA配列による微小管の運動制御に関しては，DNA修飾法を工夫することによりDNA修飾チューブリンから微小管の再構成が可能となり，微小管上での修飾部位の選択性および微小管のモビリティ改善を実現した(角五，葛谷)．
リポソームと分子モーターによるアメーバ骨格の作成に関しては，ランダムな運動の発生ならびに微小管とキネシン会合体の自己組織化による動的な形態変化を確認した．また，ミツバチ毒主成分の両親媒性ペプチドであるメリチンを利用して，ペプチドの膜変形作用を観察した．さらに，外部磁場により界面上を回転することで任意の方向に移動する細胞サイズのリポソームの作成に成功した(角五，平塚，瀧口)．
微小管の光運動制御に関しては，光応答性アミノ酸を導入したβシート形成ペプチドFKFEFKFEとDNA（dA20）を連結した複合体を合成し，光照射による主鎖の切断，DNAの切り離し，ならびにβシート繊維構造が誘起を確認した(松浦，平塚)．
微小管の運動シミュレーションに関しては，GPUを用いた３Dシミュレーションシステムを開発した(小長谷，角五)．AFM画像におけるDNAナノ構造に関しては，自動認識ソフトのプロトタイプを開発した(小長谷，葛谷)．
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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
2013年度は，前年度に引き続き，アメーバ型分子ロボットプロトタイプ実現の中核技術であるDNA制御分子モーター走行ならびに細胞形状変化に注力し，計画通りの成果を達成した．
分子モーター走行に関しては，計画通り微小管のDNA修飾ができることを確認し，また，重合可能な微小管の新たなDNA修飾手法を取り入れることで微小管の運動性の改善および特定の部位のみにDNA修飾を施すことに成功した(角五，葛谷)．さらに，実時間で微小管の運動をシミュレーションし可視化するシステムを開発した(角五，小長谷)．
細胞形状変化に関しては，キネシンの４量体形成をカルシウムイオンの有無で制御することにより，微小管ネットワークが特徴的な構造に変化することを見いだした．さらに当初は予定していなかったがこの収縮性の微小管ネットワークをマイクロパターン内で作ることで大きさ数ミリの人工筋肉のような収縮するパーツを分子から構築することに成功した(平塚)．また，アクチンを直接DNA修飾することにより，アクチン線維の人為的な束化に成功した(瀧口)．
この他，光応答性アミノ酸を含むペプチド-DNA複合体の合成に成功し，この複合体の光照射による切断ならびにβシート繊維成長に成功した(松浦)．また，回転磁場を用いて，細胞サイズのリポソームの回転運動を実現し，リポソーム表面とアメーバ運動の足場となる界面との評価系を確立した(野村)．
感覚・知能インタフェースに関しては，小分子によるセンシングならびにDNAによる運動制御について検討した．バクテリアゴーストを用いた実験では，カルシウム濃度の変化により前進後退を制御できることを確認した(野村)．また，微小管を修飾するDNAタグ同士の2重結合をDNA配列置換法で強制的に引き剥がすことで微小管の相互作用をDNAで制御できることを確認した(角五)．以上より，当初計画に対し概ね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2014年度は，前年度に引き続き，アメーバ型分子ロボットプロトタイプの中核技術となるDNA配列およびDNAナノ構造を用いた，分子モーター走行制御技術および細胞膜形状変化技術の実現に注力する．具体的には，下記の共同研究を推進する．
光制御可能なアゾベンゼン修飾DNAと微小管との結合について検討する．これにより，光を用いた生体分子モーター集団運動制御法ならびに生体分子モーター協調運動の時空間制御法の確立を目指す(角五，葛谷)．
油中水滴エマルション遠心沈降法により，微小管骨格をリポソームに実装する．caged CaまたはCaイオンを含んだエマルジョンと融合により微小管骨格構造を変化させ，リポソームの構造変化を実現する．また，骨格構造にDNAタグを導入することによる運動性の制御を行う．さらに，アクチン線維の人為的束化技術とアクチンの人工重合核技術を利用して，巨大リポソーム内に細胞骨格蛋白質群並びに分子モーターを導入し，蛋白質運動系の再構築を検討する(平塚，豊田，野村，瀧口)．
前年度に作成した光応答性β-シート形成ペプチド-DNA複合体を用いて，リポソーム上での光応答性βシートペプチド繊維成長を検討する．また，キネシン－FKFEFKFEペプチド複合体をβシートペプチド繊維に組み込み，微小管の並進運動について検討する(松浦，平塚)．
微小管の運動制御に関する3次元リアルタイム可視化システムを構築する(小長谷，角五)．また、DNAナノ構造のAFM画像から目的の構造の学習機能を備えた画像解析技術を開発する(小長谷，葛谷)．
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