2019 Fiscal Year Research-status Report
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19K12216
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小宮 健 東京工業大学, 情報理工学院, 助教 (20396790)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | DNAコンピューティング / DNAナノマシン / 分子ロボティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、実世界で動作するDNAナノマシンの構築手法を確立することに取り組んでいる。研究代表者らがこれまでに作成した、DNAの競合的な構造形成挙動を予測する統計熱力学モデルにもとづいて配列を設計する手法等を用いて、高い設計精度、すなわち設計時にモデル予測した通りに実際に動作するDNAナノマシンを構築する。DNAナノマシンの動作に対する評価は、所望の動作特性を示したかどうかを生化学的な実験によって定量的に検証する。三年間の研究計画の初年度にあたる今年度は、任意に設定した特性値を示すDNAナノマシンを構築するため、実際の動作特性を蛍光測定実験等により検証した。研究計画の二年度目において、DNAポリメラーゼによる酵素反応を制御することを計画している。そこでDNAナノマシンの定量的な動作の検証を可能にするため、DNAポリメラーゼを用いた反応で予期しない副反応が起こらないための条件検討、および副反応を抑制する手法の開発に取り組んだ。その結果、従来の統計熱力学モデルにもとづく二次構造予測と反応条件を最適化するだけでは、酵素反応における副反応を十分に抑制できないことを明らかにした。計画を達成するために、添加剤の探索やDNA配列長の検討、二次構造の導入など様々な検討を行うなかで、非天然型の核酸を適切な部位に導入することで副反応が十分に抑制され、所望の結果が得られることを見出した。この成果は、本研究課題で構築するDNAナノマシンのみならず、DNAポリメラーゼによる酵素反応を用いた反応系に広く適用できる有用な知見であるため、国際専門誌に複数の論文を発表した。
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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
実世界で動作するDNAナノマシンの構築手法を確立するためには、DNAナノマシンが設計した通りの動作特性を示したかどうかを定量的に検証できる必要がある。しかし、DNA分子のみの反応が比較的、統計熱力学モデルを用いた予測通りに振る舞うのに比べて、酵素反応を組み合わせた生化学的な反応系では、予期しない多様な副反応が起こる。動作を計測する際に副反応に起因する誤差が生じたり、目的の動作と副反応の識別が困難なために、計測自体を不可能にしたりする事態が生じる。そこで、研究計画の初年度にあたる今年度は、評価系を確立するための副反応が起こらない条件の探索や、副反応を抑制する手法の開発に取り組んだ。蛍光基で修飾したDNAを利用して、蛍光測定を通じて各条件下で目的構造を形成したDNAの割合を計測したり、酵素反応で生成される分子の量を計測したりすることで、設計通りに反応が進行しているかどうかを定量的に検証した。その結果、副反応を抑制するために非天然型核酸の利用が有効であることを見出した。この成果により、二年度目以降に構築するナノマシンの実験検証を精度よく行うことが可能になった。一方、DNA分子のみの反応については予備的な計測を行った。本研究課題では、実験で得た構造形成に関するパラメータを用いることで、設計の精度を高めていく計画である。二年度目以降にナノマシンの構築、検証、再設計のサイクルを集中的に実施することで、定量的なDNAナノマシンの設計・構築手法を確立する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に得た知見を活用して、二年度目にはより精密に設計された特性値を示すDNAナノマシンを構築し、酵素反応の制御用フィルタなどへの応用が可能であることを実証する計画である。フィルタとしては温度バンドパスフィルタ特性を実装することを想定している。今後はより急峻な温度応答や狭い半値幅などの、精密に設計された特性値を示すDNAナノマシンを構築し、蛍光測定や酵素反応実験を行うことで、ナノマシンによる反応制御とその特性の設計が可能であることを実証する。酵素反応を利用する生化学実験系は定量的な計測が困難であるが、初年度の成果により副反応を十分に抑制できる状況にある。酵素反応では生成物が増幅されるため、目的構造を形成するナノマシンの割合が10%を下回るような温度バンドパスフィルタ特性の実装においても、従来のDNA分子による反応のみを用いた反応系では蛍光測定による定量が困難であったのに対し、計測用のシグナルが増幅されるため定量的な検証が期待できる。定量測定で得た結果を設計に反映させることで、異なる動作特性を示す複数のDNAナノマシンを精密に設計・構築できるようになり、それらを鋳型DNA上に配置すれば、温度の上昇・下降にしたがって、ナノマシン間で協調して動作する機能性分子システムが実現できると思われる。最終的には、部分的に二本鎖を形成したDNAに対し、より長い二本鎖領域を形成するDNAを投入することで先に結合していたDNAと置き換わる「鎖置換反応」を利用して、DNA ナノマシン間で相互作用する機構を構築する計画である。鋳型DNA上に配置した複数のDNAナノマシンの構造変化が、温度変化で駆動される分子システムを実現することを目指し、要素であるDNAナノマシンとシステム全体の動作の整合性をとりながら研究を推進していく。
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| Causes of Carryover |
今年度は、本研究課題の目的を達成する上で必須となる評価系の確立に集中して取り組む必要が生じた。副反応が起こらない条件の探索や、副反応を抑制する手法の開発が予想よりも困難であったため、様々な検討項目を考案し、十分な成果が得られるまで実験を繰り返した。その結果、副反応を抑制することに成功し、有用な知見を見出して、二年度目以降に構築するナノマシンの実験検証を精度よく行うことが可能になったが、様々な配列のDNAナノマシンを設計、構築して計測することは繰り返し行えなかったため、次年度使用額が生じた。次年度にナノマシンの構築、検証、再設計のサイクルを集中的に実施するため、実験支援員等の雇用期間を拡大することで、定量的なDNAナノマシンの設計・構築手法を確立する本研究の計画を達成する。
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