2017 Fiscal Year Annual Research Report
Self-replication of nonequilibrium dynamical DNA artificial cells
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17H01813
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
瀧ノ上 正浩 東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (20511249)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川野 竜司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (90401702)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 人工細胞 / 分子ロボット / DNAナノテクノロジー / マイクロ流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，DNAナノテクノロジー・マイクロ流体工学を駆使して，DNAによる分子ナノシステムを細胞サイズまでスケールアップして自己組織化させ，DNA設計に由来するプログラマブルな動的分子システムである「自己複製する非平衡動的なDNA人工細胞」の構築に挑戦することを目的としている．この目的のため，今年度は，マイクロ流体デバイスによるDNA人工細胞の生成・制御技術の開発のための基礎研究を行った．まず，油中水滴でのDNA人工細胞の生成を行った．
第1の方法として，DNAナノ構造で構築した両親媒性分子で油薄膜を安定化した両親媒性のDNAによる膜カプセル構造によってDNA人工細胞を構築した．ここでは，DNAオリガミというDNAナノ構造を用いてプレート状の両親媒性DNAナノ構造の構築を用いて油中水滴を安定化した．DNAオリガミは長い一本鎖DNA(7千塩基)を短い一本鎖DNA(数十塩基)で折り畳んで作る直径100 nm程度のプレート構造である．両親媒性化は，DNAオリガミナノ構造に，疎水分子のコレステロールが付いた合成DNAを二重鎖形成させて片面のみ疎水化して実現した．両親媒性DNAナノ構造の水溶液を油に滴下・撹拌し油中水滴構造を得た．また，DNAの膜の形成の状況をモンテ・カルロシミュレーションを行って，評価した．
第2の方法として，DNAゲル薄膜を油中水滴界面に形成させる方法によってもDNA人工細胞を構築した．DNAゲルは，数十塩基の短鎖DNAで作ったY字分岐構造をユニットにして，そのY字分岐構造を多数結合させることで，ゲル状にすることで作製できる．ここでは，油中水滴界面を正電荷に帯電させ，負電荷をもつDNAを集積させることで，薄膜とした．油中水滴から取り出し，水溶液で安定に構造を保つことも確認した．
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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
計画にある通り，今年度は，油中水滴でのDNA人工細胞の生成に成功したため．具体的には，ここでは2つの方法で成功した．第1の方法は，DNAナノ構造で構築した両親媒性分子で油薄膜を安定化した両親媒性のDNAの膜カプセル構造にるDNA人工細胞であり，第2の方法は，DNAゲル薄膜を油中水滴界面に形成させる方法によるDNA人工細胞である．いずれも，次年度以降に導入するDNA人工細胞の制御（化学反応・光反応等）への基礎ができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は，DNA人工細胞への機能搭載や DNA人工細胞の分裂のための手法の構築を目指す．
膜カプセル構造のDNA人工細胞のは完全に設計できるDNAナノ構造であるため，外場(pH,温度,光,分子等)に対する応答などの機能を設計して組み込む．具体的には，物質を供給する透過孔(ナノ孔)の開いた膜や，光刺激によって構造が変化する膜，分子入力によって構造が変化する膜など，自律的な人工細胞，分裂する人工細胞の実現に必要な機能を膜にプログラマブルに搭載する方法を検討する．さらに，構築した機能に関して，電気計測や高速度カメラによる変形の計測などによって機能解析する．
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