2018 Fiscal Year Research-status Report
DNAオリガミ超分子の合理設計に向けた新規プラットフォーム開発
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18K18144
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
川又 生吹 東北大学, 工学研究科, 助教 (30733977)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | DNAオリガミ / 分子ロボティクス / データベース / DNA超分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度において、DNAオリガミヘテロ多量体を作製するためのソフトウェア開発と、DNAオリガミのデータベース構築を行った。50万原子におよぶDNAオリガミを効率的に表現するためのデータ構造を定義し、既存のソフトウェアによって出力されたファイルを変換する機能を実装した。データ構造では、申請書に記述した通り、二重らせんDNAを剛直なロッドとみなす、大胆な粗視化を行った。ソフトウェアは、三次元的な視覚情報をもとに回転や平行移動を行い、直観的に構造物を組み合わせることが可能である。既存ソフトウェアではDNAのらせんの向きが平行でなく、かつ格子状にらせんが拘束されるという制限があったが、本ソフトウェアでは二重らせんを自由自在に配置可能であり、設計の自由度が大きく改善された。
データベースの構築は、すでに報告されているDNAオリガミに関する設計情報を蓄積する目的で行った。ウェブ公開することで、分野の研究や開発を加速されることが期待される。既存ソフトウェアで設計した構造ファイルを入力することで、実験を行うための配列ファイル、シミュレーションを行うための全原子ファイル、プレゼンテーションを行うためのレンダリングファイル等に変換する機能を実装した。また、四角形や棒状など、標準的な構造物をスクリプトにより自動設計した。結果として、既存の論文から30の構造、スクリプトにより作成された510の一次元構造、487の二次元構造、837の三次元構造がデータベースに蓄積されている。
これらの成果は、2019年3月に行われた分子ロボティクス年次大会において報告し、また2019年5月にフィンランドで行われるNANTECHと呼ばれる国際会議で発表予定である。
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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
ソフトウェア開発とデータベース構築において一定の成果が得られた。ソフトウェアは申請書に書いた通り、直観的に操作可能なインターフェースを備えている。既存のソフトウェアでは表現不可能であった、二重らせんの自由配置にも成功しており、今後のアルゴリズム開発もスムーズに進むと考えられる。疑似コードレベルではプリミティブなアルゴリズムができているものの、実装や高速化を速やかに行う必要がある。
データベースについても、設計図を変換して複数の可視化可能なデータを提供することに成功している。さらに1000以上の標準構造を設計し、パーツライブラリを提供する準備が整っている。ただし、1年目の段階でウェブ上にデータベースを公開予定であったが、情報管理の観点で問題があるため公開は先送りしている。今後はユーザー登録や情報管理などの機能の実装を速やかに行う必要がある。データベースとソフトウェアの連携は、共通の規格のファイルフォーマットを介することで一定レベルで実現されている。今後はシームレスに連携できるように、インポートやエクスポートの機能を充実させる。
実験による本研究の評価は2年目から行う予定であるため、現時点での進捗評価は難しい。ただし、申請時には透過型電子顕微鏡による観察は外部機関に委託する予定であったが、1年目において、東北大学の共用施設で観察できるよう協力体制を確立した。DNAオリガミ単量体を観測するための最適条件を見出したため、今後多量体を作製して本研究の妥当性を評価する場合の障害が小さくなったと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、ソフトウェアに連結アルゴリズムを実装し、実際に実験可能なDNAオリガミ多量体の設計を行う。アルゴリズムの実装においては、粗視化されたDNAのデータをもとに、各塩基の位置座標を一時的に計算する必要がある。必要となる塩基だけを計算することで高速化を図る。さらに塩基間の距離を計算し、連結可能な塩基の組み合わせをハイライトしてユーザーに提示する。不要な組み合わせを計算しないように、三角不等式と分割統治法を活用して枝刈りを行う。
データベースではインターフェースを充実させる。現在のバージョンでは、ユーザー登録なしでファイルをアップロードすることができるため、管理体制に問題がある。ユーザーごとにファイルの公開・非公開を選択できるように改良を行い、データベースとしての価値を高める。また投稿された構造にユーザーがコメントを付けられる機能を実装し、オープンサイエンスの手法により分野の発展につなげる。十分な情報管理が可能になった段階で、現在は研究室内のLANのみ公開しているデータベースをウェブ上に公開する。公開後はユーザーからのフィードバックをもとに改良を続ける。
今後、本研究の成果をデモンストレーションするために、DNAオリガミ多量体の設計および実験を行う。現在のところ、ロボットアームのような構造を設計予定であるが、進捗状況に合わせて、渦巻状構造の設計や多関節リングの設計などにシフトする。設計後は原子間力顕微鏡や透過型電子顕微鏡を活用して、構造体の評価を行う。
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| Causes of Carryover |
サーマルサイクラーを購入予定であったが、研究費の充足率が100%ではなかったため、購入を断念した。試薬等の消耗品や電子顕微鏡の使用料金に当てた結果、84516円の次年度使用額が生じた。
2019年度は、実証実験を行うためにDNAや試薬を購入し、透過型電子顕微鏡による観察により本研究の妥当性を評価する。充足率の問題により、自動分注装置はグレードを落とした廉価版を購入できないか検討する。NANTECHと呼ばれる国際会議に出席し、成果の発表および情報収集を行う。
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