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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Self-replication of nonequilibrium dynamical DNA artificial cells

Research Project

Project/Area Number 17H01813
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (20511249)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 川野 竜司  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401702)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords分子ロボット / 人工生命・人工細胞 / DNAナノテクノロジー / ソフトマター / マイクロ流体工学
Outline of Annual Research Achievements

DNAナノテクノロジー・マイクロ流体工学を駆使し,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」の構築のため,DNAマイクロゲルおよびDNAマイクロカプセルの自己組織化と制御に関する研究を実施した.今年度は,外場や化学反応によるDNA人工細胞の制御を中心に行った.
(1)外力場によるDNA人工細胞の変形・分裂のための物性計測として,DNA人工細胞膜の界面張力の定量化と,安定化のための新しいDNAナノ構造の設計と作製を行った.今までよりも小さい塩基配列で,従来のようなDNAナノ構造ができることを実証した.具体的には,従来のDNAオリガミの1/10のサイズのDNAオリガミを直方体的に自己組織化させ,そこに疎水性分子であるコレステロールを付加し,両親媒性DNAオリガミ構造を作った.収率に関してはまだ検討中であるが,電気泳動等の評価法により,実際に構築できていることを示した.
(2)化学反応とのカップリングによるDNAからの情報の取り出し:DNAゲルによる人工細胞にRNAを転写できる塩基配列を組み込むことに成功し,RNAの転写の同定を行った.RNA転写の反応効率を向上させるため,問題となっている副反応の同定に成功した.これにより,配列設計や反応条件の検討により,効率よくRNA反応を行える可能性を示せた.
(3)複製できるDNAゲル人工細胞の塩基配列の設計と構築:DNAポリメラーゼの反応を利用して,複数回複製ができるDNAゲルのための塩基配列の設計を行った.実際に,このDNAを化学合成(カスタム合成に依頼)し,DNAゲルができること,複製のためのDNAポリメラーゼ反応が機能することなどを実証した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上記のように,申請時に予定していた研究を実施し,成果が得られたため.

Strategy for Future Research Activity

最終年度は,以下のような研究推進の方策をとる.
(1)新規DNAナノ構造による変形・分裂を目指したDNA人工細胞の構築と制御
安定化を目的として実施した新規のDNAナノ構造の構築とDNA人工細胞の構築をさらに発展させ,安定でありながらも,外場や化学反応などを導入することで,変形や分裂などの動的な協働を示すシステムを実現することを目指す.まずは,DNAナノ構造の形状によって,界面張力の違いを出すことで,変形や分裂を示すシステムを構築し,様々な条件を変更することでその効率や制御の方法について検討する.次に,光などの外部刺激に応じて,光化学反応によって,DNAナノ構造を制御し,DNA人工細胞の制御も検討する.また,DNAゲルによって,変形・分裂,さらには複製ができるDNA人工細胞の構築も目指す.
(2)RNA転写反応に基づいたDNAからの情報の取り出し
DNAゲルによるものには,さらにRNAを転写できる塩基配列を組み込むことができるが,ゲル構造の安定性に問題があった.今までの研究で光硬化性の化学反応によって,安定な構造ができるようになってきたため,今後は,これにRNA転写ができる塩基配列を導入することで,化学反応(RNA転写反応)の溶液にDNA人工細胞を導入し,DNAの塩基配列情報に従って,RNAとしてその情報を読み出したり,その後の下流の化学反応を実現したりすることに挑戦する.

  • Research Products

    (32 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 8 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ENS Paris/CNRS(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      ENS Paris/CNRS
  • [Journal Article] Creation of artificial cell-like structures promoted by microfluidics technologies2019

    • Author(s)
      Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 10 Pages: 216

    • DOI

      10.3390/mi10040216

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Collective Transport of Microparticles under an Asymmetric Electric Field2019

    • Author(s)
      Masayuki Hayakawa, Yusuke Kishino, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Proc. MEMS 2018

      Volume: 1 Pages: 43-46

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 配列設計と相転移に基づいた DNA マイクロ構造の構築と制御2019

    • Author(s)
      佐藤 佑介, 瀧ノ上 正浩
    • Journal Title

      化学とマイクロ・ナノシステム

      Volume: 18 Pages: 24-27

  • [Journal Article] Controlled Construction of Stable Network Structure Composed of Honeycomb-Shaped Microhydrogels2018

    • Author(s)
      Masayuki Hayakawa, Satoshi Umeyama, Ken Nagai, Hiroaki Onoe, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Life

      Volume: 8 Pages: 38

    • DOI

      doi.org/10.3390/life8040038

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Electric control of microparticles based on surfactant adsorption: prospective actuation of soft robots2018

    • Author(s)
      Marcos Kunihiro Masukawa, Masayuki Hayakawa, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Proc. microTAS 2019

      Volume: 1 Pages: 352-354

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] DNA Origami Nanoplate-Based Emulsion with Designed Nanopore Function2018

    • Author(s)
      Daisuke Ishikawa, Yuki Suzuki, Chikako Kurokawa, Masayuki Ohara, Misato Tsuchiya, Masamune Morita, Miho Yanagisawa, Masayuki Endo, Ryuji Kawano, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      ChemRxiv

      Volume: 1 Pages: 1-27

    • DOI

      10.26434/chemrxiv.7046495.v1

    • Open Access
  • [Presentation] Construction of cell-inspired molecular robots based on microfluidics of bio soft matter2019

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      International Symposium on SSS Laser Processing (3S-LP)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Phase-separated DNA microdroplets controlled by base sequence information2019

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      アクティブマター研究会2019
    • Invited
  • [Presentation] 化学振動反応の制御のためのドロップレットマイクロ流体デバイス2019

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      研究集会「生物学・化学・数理科学から見抜くリズム現象の本質」
    • Invited
  • [Presentation] DNAマイクロ構造における相転移と分子ロボティクスへの展開2019

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      日本学術会議「第4回理論応用力学シンポジウム」力学と新学術の融合
    • Invited
  • [Presentation] The Collective Transport of Microparticles under an Asymmetric Electric Field2019

    • Author(s)
      Masayuki Hayakawa, Yusuke Kishino, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 32nd IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNAナノ構造の自己集合と相転移による「DNA液滴」の創出と制御2019

    • Author(s)
      佐藤佑介, 阪本哲郎, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] DNAゲル-液滴-溶解のメカニズム解明を目指した数理モデルの構築2019

    • Author(s)
      山本陽大, 阪本哲郎, 佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] 機能性DNAゲルマイクロカプセルの構築2019

    • Author(s)
      中島裕司, 佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] DNA液滴によるマイクロポーラス構造形成2019

    • Author(s)
      阪本 哲郎, 佐藤 佑介, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] Manipulation of microparticles with electric fields modulated by surfactant as molecule-electrode interface2019

    • Author(s)
      MASUKAWA K. Marcos, 早川 雅之, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] 光照射によるDNAハイドロゲル形成の空間的制御2019

    • Author(s)
      笠原 悠, 佐藤 佑介, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第2回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] Artificial cell-like molecular robots based on DNA self-assembly2018

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      Earth-Life Science Institute (ELSI) Colloquium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNA microgels and microdroplets toward artificial cell-like systems2018

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      Seminar of Laboratory Jean Perrin, University Pierre and Marie Curie (UPMC)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNA microgel/droplets technology toward artificial cells2018

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      Seminar of Prof. Simmel Lab., Technische Universitat Munchen
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞型分子ロボットへ向けたDNAソフトマター物理学2018

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      新化学技術推進協会 電子情報技術部会 マイクロナノシステムと材料・加工分科会 講演会
    • Invited
  • [Presentation] 配列設計と相転移の制御によるDNA液滴の創出2018

    • Author(s)
      佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会11.0
  • [Presentation] 光照射によるDNAマイクロ構造体の形成と熱力学的特性の解析2018

    • Author(s)
      笠原悠, 佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会11.0
  • [Presentation] Electric control of microparticles based on surfactant adsorption: prospective actuation of soft robots2018

    • Author(s)
      MASUKAWAMarcos Kunihiro, 早川雅之, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      22nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] DNAナノ構造の相転移制御による情報を持つ液滴の創出2018

    • Author(s)
      佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第38回研究会(CHEMINAS38)
  • [Presentation] Construction of DNA hydrogel microcapsules using water-in-oil droplet interface2018

    • Author(s)
      中島 裕司, 笠原 悠, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会
  • [Presentation] Environment-dependent assembly of DNA nanostructures on phase-separated lipid bilayer membranes2018

    • Author(s)
      森田 雅宗, 瀧ノ上 正浩, 村田 智
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会
  • [Presentation] Analysis of the thermodynamic property of DNA microstructures formed by photo-irradiation2018

    • Author(s)
      笠原 悠, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会
  • [Presentation] Numerical simulation of phase separation-based formation of cell nucleus-like DNA gel capsule2018

    • Author(s)
      阪本 哲郎, 森田 雅宗, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会
  • [Presentation] Design and analysis of DNA network with consciousness based on integrated information theory2018

    • Author(s)
      渡邉 弘貴, 瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会
  • [Remarks] 瀧ノ上研究室ホームページ

    • URL

      http://www.takinoue-lab.jp

URL: 

Published: 2019-12-27  

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