2017 Fiscal Year Annual Research Report
分子ロボットの行動プログラミングのための制御系構築
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15H01715
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
村田 智 東北大学, 工学研究科, 教授 (10334533)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中茎 隆 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (30435664)
川又 生吹 東北大学, 工学研究科, 助教 (30733977)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | DNAコンピュータ / 分子ロボティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，分子ロボットの制御について，いくつかの課題を設定し研究を進めているPSGは単体は完成し，そのデモ実験に取り組んでいる．CRについては理論的な進展があり，学術論文としてとりまとめている．また，汎用の反応シミュレータの開発も進めている．詳細は以下の通り．
村田：プログラムとなるDNA一本鎖の配列に書かれた順序に従って，指定のDNA一本鎖を順次出力する反応系（プログラマブルストランドジェネレータ（PSG））を開発し，3出力の順序を制御する全6通りの完全動作を達成した．またPSGの応用デモンストレーションのために，DNAナノ構造の開閉動作を行うDNA Tweezer系と，微小管の集合状態を制御するMotility Assay系を構築した．
中茎：遡及性理論をベースとした濃度レギュレータ（CR）の設計法の提案に加え，CRの解析手法の理論的枠組みを新たに構築した．CRは数学的には多数の状態変数を持つ非線形系であるため，システムの安定性や制御性能の解析を理論的に行うことは困難であった．ここでは，CR回路を含めた一般的なDNA鎖置換反応で作られる回路に対して，特異摂動形式に変換する方法とDNA反応系の特性を活かした特異摂動理論の構築を達成した．また，これまでの設計手法とは異なる細胞内シグナル伝達系の積分制御系に倣ったCRの設計法を提案した．実験的な検証も進んでおり，論文投稿に向けたデータ取得・整理を続けている．
川又：DNA反応系の設計ソフトウェアを開発し，リーク反応などの望まない反応についても定量的な予測が可能になった．これによりCR回路の最適化設計に貢献した．
これまでに得られた成果については，すでに論文投稿しているか，最終年度中に投稿の予定である．
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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
個別の課題の進捗には差があるが，全体としてはおおむね順調に進展している．
村田：PSGの出力により，DNA Tweezerの開閉動作を制御する系について，相補配列の逐次出力により，予期しない中間構造が多数生成することがわかり，デバッグを行ったが正常な動作は実現できなかった．そこでもうひとつの例題として微小管のMotility Assay系を提案し，微小管の離合集散の制御を試みている．これまでの実験によりNickaseとよばれる酵素の反応ステップに問題があることを突き止め，いくつかの対処方法を検討中である．
中茎：CRに関して：メカトロニクスにおける制御系の設計アプローチと生物に倣う制御系の設計アプローチを提案し，設計手法・理論として体系的に整理した．計画通り進んでいる．PSGに関して：酵素フリーのDNA鎖置換反応を用いた分子ロボットのためのオン・オフスイッチ回路の設計は完了しており，実験検証を続けている．計画通り進んでいる．濃度波形整形回路（WST）に関して：回路仕様も含めた基礎的な検討を続けている．シグナル（DNAの濃度変化）の振幅を積分値に，あるいは，積分値を振幅に変換するアイデアはすでに得られているが，分子ロボットへの応用上，実用的なWSTの仕様の検討を続けている．やや遅れている．
川又：これまで開発したDNA反応系の化学反応シミュレータを発展させることで，時空間的な振る舞いを行う反応拡散系の挙動予測および設計が可能になった．発展させたツール上において，行動プログラム行う情報分子としてRNAを含めることで，DNAでは実現できなかったダイナミクスを実現できることを理論的に確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
村田：PSGによるストランドの逐次生成により，分子機構を駆動するデモンストレーションに取り組む．これまでの研究により，相補鎖の交互出力によるさまざまな干渉や，さまざまな酵素の活性を担保するための溶液条件の選択が鍵となっていることがわかっており，そこを中心にデバッグする．
中茎：CRに関して：生物に倣うCRの設計を実験も含めて達成し，CR設計論として整理する．PSGに関して：酵素フリーのDNA鎖置換反応を用いた分子ロボットのためのオン・オフスイッチ回路の実験検証を行う．WSTに関して：実用的なWSTの仕様とその設計法を提案する．
川又：DNAおよびRNAを使った反応拡散系を実験的にデモンストレーションし，分子ロボットの計算能力に関するコンセプト証明を行う．本研究の最終年度にあたるため，これまで開発したツールやPSGの実験結果を論文としてまとめ，また国内外の会議において発表を行う．
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Research Products
(18 results)
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[Journal Article] DNA cytoskeleton for stabilizing artificial cells2017
Author(s)
Kurokawa Chikako、Fujiwara Kei、Morita Masamune、Kawamata Ibuki、Kawagishi Yui、Sakai Atsushi、Murayama Yoshihiro、Nomura Shin-ichiro M.、Murata Satoshi、Takinoue Masahiro、Yanagisawa Miho
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
Volume: 114
Pages: 7228～7233
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Revolving Vernier Mechanism Controls Size of Linear Homomultimer2017
Author(s)
Takeo Uchida, Keita Abe, Yuma Endo, Shosei Ichiseki, Satoru Akita, Shiyun Liu, Sho Aradachi, Masataka Saito, Akihiko Fukuchi, Taiyo Kikkawa, Theo Dammaretz, Ibuki Kawamata, Yuki Suzuki, Shin-ichiro M. Nomura, Satoshi Murata
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Journal Title
Small
Volume: 13
Pages: 1702158
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Linear Nanostructure with Limited Lengths by Revolving Vernier Mechanism2017
Author(s)
Takeo Uchida, Keita Abe, Yuma Endo, Shosei Ichiseki, Satoru Akita, Shiyun Liu, Sho Aradachi, Masataka Saito, Akihiko Fukuchi, Taiyo Kikkawa,Theo Dammaretz, Ibuki Kawamata, Yuki Suzuki, Shin-ichiro M. Nomura, and Satoshi Murata
Organizer
FNANO17
Int'l Joint Research
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