2019 Fiscal Year Annual Research Report
人工分子モーターが切り拓く「自律的ナノマシンの実験物理学」
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19H01857
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鳥谷部 祥一 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40453675)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子モーター / DNAナノテクノロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では，自律的に動く人工分子モーターを実現し，「自律的ナノマシンの実験物理学」という新しい分野を切り拓くことを最終目標としている．具体的には，分子間の相互作用を自在に設計できるDNAナノテクノロジーを駆使して人工分子モーターを実現し，さらに，分子モーターを造るだけでなく，構造をシステマティックに改造して制御することを目指している．特に，相反する「ロバストネス」と「速さ」の両立に，構造の柔らかさが果たす役割を明らかにしたいと考えている．
本年度は，「硬い」モーターを実現することを目指し，1本鎖DNAを修飾したコロイド粒子（モーター）とやはり１本鎖DNAを修飾した大きなコロイド粒子（固定子）を用いた．まず，燃料となるDNA鎖を介して粒子同士が結合する複合体を確認し，さらに，燃料分子を切断する酵素のありなしで複合体の形成に影響が出ることを確認した．以上の成果に関して，学会等で２件発表を行った．
ただし，非特異的な結合が多く，違うアプローチが必要であることが判明した．そこで，先行研究を参考に，固定子としてコロイド粒子ではなく金薄膜を用いることを試したが，やはり非特異的吸着の影響が避けられず，芳しい結果は得られなかった．そこで，コロイド粒子や表面ではなく，DNAナノチューブと呼ばれるDNA構造を固定子として働くレールとして用いることを検討した．先行研究を参考に試してみたところ，DNAナノチューブの構造を造れることを蛍光観察により確認した．さらに，固定子として働くDNA鎖を導入することで，そこに燃料分子が結合することを蛍光観察により確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロイド粒子とDNA分子を用い，自律的に一方向に運動する「硬い」人工モーターを実証することを目標とした．分子モーターを実現する上で，「化学状態」のサイクルと，「モーター-固定子間の相互作用」のサイクルをカップルさせることが重要である．すなわち，化学状態変化が相互作用を変化させ，逆に，相互作用の変化が化学状態の変化に影響するという化学-力学カップリングの実現が必要である．DNAを用いることで，要素間の相互作用を自在に制御できるとともに，その強さを時間変化させることが可能となる．
当初は，硬い基板上に固定子として働くDNAを修飾することを考えていた．そのため，直径5 μm以上の大きな粒子や金薄膜上にDNAを修飾し，固定子として用いていた．しかし，粒子の非特異的吸着が多く，モーター-固定子複合体作製の評価が困難であることが分かった．そこで，１月から，DNAナノチューブ技術を応用し，DNAで作製したチューブ型構造を固定子として働くレールとして活用する試みを始めた．先行研究を参考にDNAナノチューブを設計してアニーリング（温度を高温から低温にゆっくりと下げる）したところ，DNAナノチューブが形成されることを蛍光顕微鏡で確認した．チューブの長さは5 um程度で，先行研究の結果を再現することに成功した．このチューブを固定子として働かせるために，チューブの形状を修正し，足場となるDNA鎖を生やすことに成功した．実際に，燃料分子がこの足場に結合することを蛍光観察により確認した．
以上のように，実験上の困難があり，モーターの運動までは観察できていない．しかし，システム設計を大幅に変更し，DNAナノチューブを用いることで，この困難を解決することができた．また，表面を固定子として使用する場合はどのようにレールを造るかという難しい問題があったが，ナノチューブを用いることでこの問題も解決した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度，DNAナノチューブを用いた固定子レールの構築を確認した．2020年度は，DNAナノチューブ上での1本鎖DNAの酵素による切断，および，粒子-燃料DNA-レールの複合体作製を目指す．モーターとしては，直径1 umもしくはさらに小さく熱揺らぎの大きな粒子を用いて，熱揺らぎを利用して運動する「硬い」人工分子モーターの実現を目指す．
また，この「硬い」モーターの実現と並行して，「柔らかい」人工モーター実現のための基礎的技術の確立を目指す．このため，DNA修飾マイクロ粒子の替わりに，DNAオリガミ技術を用いたナノ構造を利用することを検討する．DNAオリガミを使うことで，構造の硬さを自由に変えることができ，硬さと運動能の間の関係を調べることが可能となる．さらに，構造で決まる「方向性」を導入することが可能となり，生体分子モーターに近づけることができる．まずは，単純な粒状構造のDNAオリガミで基礎技術の確立をし，その後，より複雑な構造のDNAオリガミを用いた実験を行う．なお，DNAオリガミのようなナノサイズの構造の運動を調べるため，多色（青色および緑色励起）の全反射蛍光顕微鏡の構築を検討している．全反射蛍光顕微鏡を用いることで，背景光を抑えてコントラストを向上できるため，微弱な蛍光信号を観察することができる．なお，全反射蛍光ユニットは光学素子を組み合わせて自作する予定である．このための光学系の設計はほぼ終了している．
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