2015 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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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), 講師 (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 / 人工細胞 / DNAナノデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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・システム化を推進した．27年度はアメーバ運動の実現に向けて,DNAナノ技術による要素技術統合化,分子アクチュエータの高度化および群運動・設計支援システムの開発に注力した．具体的には下記の共同研究を推進した．
要素技術統合化に関しては，巨大リポソームにモータータンパク質と微小管を導入し， DNA回路で統合したアメーバ型分子ロボットプロトタイプにおいて，その連続的な変形および運動のスイッチングを確認した．また，リポソームに導入可能なDNAオリガミ製チャネルをデザインし，そのチャネル電流の機械的なON/OFF挙動を確認した．また，微小管の集合と解離を光制御するためのアゾベンゼン修飾DNAをCuフリークリック反応によってチューブリンに効率よく導入する手法を確立し，光照射により形成可能なキネシン・微小管を実装した（野村，葛谷，角五，小長谷）．
分子アクチュエータの高度化に関しては，細胞骨格微小管を封入した巨大リポソームを圧力や温度の変化を利用して可逆的に繰返し形態変化させることに世界で初めて成功した（瀧口）．また，天然の微小管や分子モータータンパク質を用いない、完全に人工合成した分子だけでマランゴニ効果によるリポソームの異方的な並進運動の観察に成功した (松浦) ．
分子アクチュエータの群運動に関しては，カルシウムイオンの濃度により収縮する微小管ファイバ（人工筋肉）の系において，光照射の形状に応じた任意の形状の人工筋肉を形成させることに成功した（平塚）．
設計支援システムの開発に関しては，3次元実時間運動シミュレーションシステムを開発し，リング模様やストリーム模様などの微小管運動の再現に成功した(小長谷，角五)．また，ニューラルネットワークを利用したAFM画像のDNAナノ構造自動認識システムの開発に着手した（小長谷，葛谷）．
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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
要素技術統合化に関しては，DNA分子の信号によってモータータンパク質の動作を切り替えるアメーバ型分子ロボットプロトタイプのボディーの構築に成功した．分子モーター群の会合脱離をDNA計算による自動制御に関しては，酵素の作動条件が課題として上がっている．DNA液相大量合成系を用いてPEG-DNA複合体を大量に合成する手法を確立し，様々なDNAゲルを構築した．また領域の各研究者へ提供するプラットフォームを整備した．DNAシグナルにより微小管の集団運動を制御する方法を確立させた．また，光応答性DNAを用いることで集団運動の光制御に成功した（野村，葛谷，角五，小長谷）．
分子アクチュエータの高度化に関しては，光応答性ペプチド-DNAコンジュゲートを固定した相分離ジャイアントリポソームに365 nmの光を照射することにより，異方的なペプチド繊維成長を誘起することで、120 um/h と遅いながらもリポソームの並進運動に成功した（松浦）．これまでのものと比べて約２桁少ない僅かな量の原料・試料からも行える様に界面通過法を改良し，大量作製した微小管封入巨大リポソームが，温度や圧力などの外部刺激によって変形を可逆的に繰返し起こすことを実証した（瀧口）．
分子アクチュエータの群運動に関しては，キネシン・微小管による人工筋肉の特性を調べた．人工筋肉が発生する力は約0.1-1 µNであり，力発生や速度は微小管の長さ分布に影響することが分かった．この人工筋肉をＰＤＭＳで作成した骨格状の構造に実装させることにより，大きさ数mmのピンセット・ペンチ型デバイスを動作させることに成功した（平塚）．
設計支援システムの開発に関しては， GPUを4基実装することにより２万微小管の運動シミュレーションに成功した(小長谷，角五)．また，ニューラルネットワークを利用することによりDNAオリガミで作成したスマイリーマークの自動認識に7割程度成功した（小長谷，葛谷）．
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| Strategy for Future Research Activity |
要素技術統合化に関しては，運動効率を上げ，動作時間を延長し，切り替え時間を短縮するための改良を行ない，再現性・量産性向上し，新学術領域メンバーに頒布する．また，走化性を実現するための分子選択的センサー（チャネル）分子を実装する（野村）．リポソーム中へ剛直なDNAオリガミ構造体を封入し，自己組織化によるリポソームの構造変形を検討する（葛谷）．
分子アクチュエータの高度化に関しては，より速いアメーバ運動を達成するためにペプチド-DNAコンジュゲートのDNAとペプチドの連結部を2-nitrophenylglycineとして，分子内環化を経ずにペプチド主鎖を切断するシステムを構築する（松浦）．細胞骨格蛋白質群を巨大リポソームに実装して，束化したアクチン線維や微小管と細胞骨格線維の人工重合核を利用して分子アクチュエータを操作する（瀧口）．
分子アクチュエータの群運動に関しては，キネシンＣ末端に自己会合性のDNAオリゴヌクレオチドを付加することで，光制御等で自己会合の度合いが調整可能な人工筋肉を発生させる（平塚）．前年度にセットアップした光刺激で空間的非対称性を実現する装置を用いて，生体分子モーターのランダムな群運動を方向性が揃った微小管の群運動に変換するための操作系を確立する（角五）．
設計支援システムの開発に関しては，3次元実時間運動シミュレーターを用いて， 微小管の生化学的な性質と運動模様との関係について解析する(小長谷，角五)．また，ニューラルネットワークのアーキテクチャを改良して，DNAオリガミの自動認識精度のさらなる向上を図る（小長谷，葛谷）．
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Research Products
(52 results)
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[Journal Article] A DNA aptamer recognising a malaria protein biomarker can function as part of a DNA origami assembly2016
Author(s)
Godonoga M., LinTY., Oshima A., Sumitomo K., Tang MS., Cheung YW., Kinghorn AB., Dirkzwager RM., Zhou C., Kuzuya A., Tanner JA. and Heddle JG.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 21266
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Smart Hydrogels Based on DNA Quadruplexes2015
Author(s)
Kuzuya A., Tanaka S., Fukushima K., Wakabayashi K. and Ohya Y.
Organizer
The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (PACIFICHEM2015)
Place of Presentation
Hawaii Convention Center, Honolulu, Hawaii, USA
Year and Date
2015-12-15 – 2015-12-20
Int'l Joint Research
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