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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Construction and control of macrophage-like molecular robots by digital-to-molecular information transformation

Research Project

Project/Area Number 20H00619
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (20511249)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 伊野 浩介  東北大学, 工学研究科, 准教授 (00509739)
尾上 弘晃  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30548681)
野村 慎一郎  東北大学, 工学研究科, 准教授 (50372446)
佐藤 佑介  九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (60830560)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords分子ロボティクス / DNAコンピューター / DNAナノテクノロジー / 人工細胞 / ソフトマター / 電気化学
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「マクロファージ型分子ロボット」を構築するとともに、ディジタルの世界と当該分子ロボットをつないで、ディジタルハイブリッドな分子ロボットを構築することを目的としている。本年度は、この目標のため、以下のような研究を推進し、多くの成果を得た。
代表者・瀧ノ上は、分担者・佐藤と協力して、DNA液滴を用いたマイクロRNAセンシングができるDNA液滴コンピュータの開発に成功した。また、瀧ノ上は佐藤と協力して分子ロボットの筐体となるDNAゲル・DNA液滴の粘性・表面張力等の基礎物性と塩基配列の関係を詳細に調べ、相転移温度におけるDNAゲル(液滴)の界面張力および粘性が、塩基配列設計により変更可能なことを見出した。また佐藤と瀧ノ上は、DNA液滴が相分離現象により形成される様子を、数値シミュレーションで記述することに成功した。瀧ノ上は分担者・野村と協力し、DNAゲルを用いた分子ロボットの培養細胞との相互作用評価に取り組んだ。その成果として、特異性の高い認識分子を用いることによる細胞の選択的な取り込み挙動を見出し、特許出願中である。野村は、加えて、より巨大かつ磁場による外部操作が可能な分子ロボットシステムとして、cmスケールの人工多細胞構造の自己集合による構築について新たな手法を見出し、報告を行った。さらに、分担者・尾上は瀧ノ上と協力し、ポリアクリルアミドを二本鎖DNAで架橋した合成高分子/DNA混合ゲルを構成し、ヒスタミンアプタマーの鎖置換反応と、DNAヘアピンモノマによる鎖置換カスケード反応による二本鎖DNAの伸長反応により、ヒスタミンに特異的に応答して膨潤するDNAゲルセンサの構築に成功した。分担者・伊野は、瀧ノ上と共同で、DNAゲルを用いたハイドロゲルファイバーを作製し、細胞培養に応用した。また、ハイドロゲル内の細胞機能を電気化学的に計測した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

代表者、分担者ともに、研究計画書に記載の実施内容について予定の年度において一つ一つ順調に研究を進めており、成功を収めている。実施過程で新たな発見もあり、それを発展させ、新規技術の構築にも結びつけている。

Strategy for Future Research Activity

代表者・瀧ノ上は、分担者・野村と実施している、DNA液滴による生体分子・細胞のセンシングとDNA液滴の光制御の実験をさらに発展させる。これにより、最終年度である来年度において、「マクロファージ型分子ロボット」のプロトタイプが実現できると考えられる。現在は、2-3種類のがん細胞とその細胞表面タンパク質をターゲットにして、タンパク質特異的な抗体またはアプタマを選定し、DNA液滴に修飾して機能を確認しているが、その種類を増やすことや、特異性、並列性、感度なども含めて複数の細胞を認識できるようにする。それを発展させ、分担者・佐藤らとともに、生体分子のセンシングに関して、より複雑なパターンを認識させ、ある種の細胞認識コンピュータを持つ分子ロボットに発展させる。同時に、センシングの感度を上げるためのシグナル増幅機構についても検討する。分担者・尾上は、瀧ノ上と共同で、DNAアプタマーセンサゲルを発展させ、分子ロボットの筐体への応用も試みる。分担者・佐藤は、カプセル型DNAゲルの形成機構に関して新規手法の開発も試みる。分担者・伊野は、瀧ノ上とともに、DNAゲルと電導性材料の融合による電気化学デバイスの構築を進め、ディジタルハイブリッドな分子ロボットの構築へ発展させる。

  • Research Products

    (46 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 8 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 11 results) Book (3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Sequence-dependent fusion dynamics and physical properties of DNA droplets2023

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

      Nanoscale Advances

      Volume: 5 Pages: 1919~1925

    • DOI

      10.1039/D3NA00073G

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Simple, Rapid, and Large‐Scale Fabrication of Multi‐Branched Hydrogels Based on Viscous Fingering for Cell Culture Applications2023

    • Author(s)
      Utagawa Yoshinobu、Ino Kosuke、Hiramoto Kaoru、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Macromolecular Bioscience

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1002/mabi.202300069

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electrochemical imaging for cell analysis in microphysiological systems2023

    • Author(s)
      Konno An、Ino Kosuke、Utagawa Yoshinobu、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Current Opinion in Electrochemistry

      Volume: 39 Pages: 101270~101270

    • DOI

      10.1016/j.coelec.2023.101270

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Scalable Synthesis of Planar Macroscopic Lipid-Based Multi-Compartment Structures2023

    • Author(s)
      Archer Richard J.、Hamada Shogo、Shimizu Ryo、Nomura Shin-Ichiro M.
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 39 Pages: 4863~4871

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c02859

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] DNA Droplets: Intelligent, Dynamic Fluid2022

    • Author(s)
      Udono Hirotake、Gong Jing、Sato Yusuke、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Advanced Biology

      Volume: 7 Pages: 2200180~2200180

    • DOI

      10.1002/adbi.202200180

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Water‐in‐Water Droplets Selectively Uptake Self‐Assembled DNA Nano/Microstructures: a Versatile Method for Purification in DNA Nanotechnology2022

    • Author(s)
      Masukawa Marcos K.、Sato Yusuke、Yu Fujio、Tsumoto Kanta、Yoshikawa Kenichi、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      ChemBioChem

      Volume: 23 Pages: -

    • DOI

      10.1002/cbic.202200240

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Computational DNA Droplets Recognizing miRNA Sequence Inputs Based on Liquid-Liquid Phase Separation2022

    • Author(s)
      Gong Jing、Tsumura Nozomi、Sato Yusuke、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 32 Pages: 2202322~2202322

    • DOI

      10.1002/adfm.202202322

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Surfactant‐Assisted Purification of Hydrophobic DNA Nanostructures2022

    • Author(s)
      Iwabuchi Shoji、Nomura Shin‐ichiro M.、Sato Yusuke
    • Journal Title

      ChemBioChem

      Volume: 24 Pages: e202200568

    • DOI

      10.1002/cbic.202200568

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Construction of Artificial Cell-type Molecular Robots2022

    • Author(s)
      IWABUCHI Shoji、FUKAMI Noriki、SATO Yusuke、NOMURA Shin-ichiro M.
    • Journal Title

      Seibutsu Butsuri

      Volume: 62 Pages: 178~180

    • DOI

      10.2142/biophys.62.178

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spontaneous and Driven Growth of Multicellular Lipid Compartments to Millimeter Size from Porous Polymer Structures**2022

    • Author(s)
      Nomura Shin‐ichiro M.、Shimizu Ryo、Archer Richard James、Hayase Gen、Toyota Taro、Mayne Richard、Adamatzky Andrew
    • Journal Title

      ChemSystemsChem

      Volume: 4 Pages: e202200006(1~7)

    • DOI

      10.1002/syst.202200006

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Autonomous and Programmable Strand Generator Implemented as DNA and Enzymatic Chemical Reaction Cascade2022

    • Author(s)
      Kawamata Ibuki、Nomura Shin-ichiro M.、Murata Satoshi
    • Journal Title

      New Generation Computing

      Volume: 40 Pages: 723~736

    • DOI

      10.1007/s00354-022-00156-4

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Molecular Cybernetics: viewpoints from the material side2023

    • Author(s)
      Nomura, S.-i.M.
    • Organizer
      14th INTERNATIONAL WORKSHOP ON NATURAL COMPUTING
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ”光化学反応を利用したDNAオリガミカプセルの機能化に向けて”2022

    • Author(s)
      山下和誼,Marcos Masukawa,茶野真由美,佐藤佑介,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] ”水性二相相分離液滴をテンプレートとしたDNAオリガミカプセルの機能化”2022

    • Author(s)
      山下和誼,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      新学術領域・学術変革領域A合同 若手の会2022(ゲノムモダリティ)
  • [Presentation] ”水性二相分離液滴をテンプレートとしたDNAオリガミカプセルの機能化”2022

    • Author(s)
      山下和誼,Marcos Masukawa,茶野真由美,佐藤佑介,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会15.0
  • [Presentation] ”Construction of DNA origami capsules using phase-separated droplets as templates”2022

    • Author(s)
      Nagi Yamashita, Marcos Masukawa, Mayumi Chano, Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • [Presentation] ” DNA ハイドロゲルの遠隔制御技術の開発”2022

    • Author(s)
      佐野仁亮,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] "Photocontrol of DNA hydrogel formation and deformation"2022

    • Author(s)
      Yoshiaki Sano, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • [Presentation] "Simulation for the phase separation of DNA droplet with chemical reactions"2022

    • Author(s)
      古市遼平,丸山智也,山本陽大,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] "DNA液滴ダイナミクスの研究のためのシミュレーション手法の開発"2022

    • Author(s)
      古市遼平,丸山智也,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] “リカーシブなDNA液液相分離の設計“2022

    • Author(s)
      相崎佑太,丸山智也,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] “光応答能を持つDNA液滴のマイクロ流れ“2022

    • Author(s)
      鵜殿寛岳,野村M.慎一郎,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] “光制御によるDNA液滴の『ゲル-液』相転移ダイナミクスで駆動するマイクロ流れ“2022

    • Author(s)
      鵜殿寛岳,野村M.慎一郎,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第6回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] “遠隔操作が可能なDNA流体のマイクロ流制御“2022

    • Author(s)
      鵜殿寛岳,野村M.慎一郎,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] “DNA流体の『ゲル-液』相転移ダイナミクスにより駆動されるマイクロ流れ遠隔操作“2022

    • Author(s)
      鵜殿寛岳,野村M.慎一郎,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      生物物理学会サブグループ人工細胞&分子ロボティクス第3回研究会
  • [Presentation] “DNA液滴の動きのシミュレーションと実験“2022

    • Author(s)
      高木幹太,丸山智也,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] “DNAナノ構造の物理的構造変化によるDNAオシレータの構築“2022

    • Author(s)
      山口将寿,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第8回サイボウニクス研究会
  • [Presentation] “Remotely controllable DNA microflow”2022

    • Author(s)
      Hirotake Udono, Shin-ichiro M. Nomura, Msasahiro Takinoue
    • Organizer
      The 26th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (uTAS2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 界面高分子電解質複合体ハイドロゲルファイバーを用いた3次元細胞培養2022

    • Author(s)
      宇田川喜信、瀧ノ上正浩、伊野浩介、珠玖仁
    • Organizer
      CHEMICAS45
  • [Presentation] 界面高分子電解質複合体ハイドロゲルファイバーを用いたバイオファブリケーション2022

    • Author(s)
      宇田川喜信、伊野浩介、瀧ノ上正浩、梨本裕司、珠玖仁
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 細胞培養ハイドロゲルファイバーの電気化学接着とバイオ計測2022

    • Author(s)
      伊野浩介
    • Organizer
      第32回日本MRS年次大会
    • Invited
  • [Presentation] “Molecular Robotics based on Soft Matter Physics of DNA”2022

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      33rd 2022 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (From Micro & Nano Scale Systems to Robotics & Mechatronics Systems) (MHS 2022)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “DNA droplet nanotechnology for molecular computing and robotics”2022

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      AsiaNANO 2022 (SESSION 10. Emerging nanoscience & nanotechnology)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “Artificial cells emerging from programmable soft matter droplets”2022

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      Cell Mimicry: bottom-up engineering of life
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “DNAでコンピュータを作る~人工細胞構築を目指した情報生命物理学~”2022

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第27回市民教養講座
    • Invited
  • [Presentation] “Toward DNA nanostructure-based designed artificial cells and artificial organelles”2022

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第 60回日本生物物理学会 ー生体分子の人工設計:タンパク質、RNA、DNAー
    • Invited
  • [Presentation] “リビングシステムズ材料学を目指した情報分子DNAによる分子ロボティクス”2022

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第3回TAC-MI最先端研究セミナー
    • Invited
  • [Presentation] DNAのカスケード伸長反応を利用したDNA架橋ゲルによる抗原センサ2022

    • Author(s)
      加藤智史,石羽友莉花,瀧ノ上正浩,尾上弘晃
    • Organizer
      日本機械学会 第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [Presentation] 踊る人工多細胞2022

    • Author(s)
      野村 M. 慎一郎
    • Organizer
      第73回コロイドおよび界面化学討論会
    • Invited
  • [Presentation] Synthesis of Macroscopic Lipid-Based Multi-Compartment Structures2022

    • Author(s)
      Archer R.J., Nomura, S.-i.M.
    • Organizer
      13th International Gel Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Construction of bio-inspired artificial molecular systems and devices based on DNA nanotechnology2022

    • Author(s)
      Yusuke Sato
    • Organizer
      The 6th FRIS and TFC Collaboration Event "Workshop on Biosystems Design -From nanotechnology to microfluidics in biotechnology"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Toward the construction of cell-like molecular systems based on DNA nanotechnology2022

    • Author(s)
      Yusuke Sato
    • Organizer
      第60回生物物理学会年会
    • Invited
  • [Book] 月刊「細胞」,54(4),194-1972022

    • Author(s)
      野村 M. 慎一郎,齋藤明,田中敦,小椋利彦
    • Total Pages
      56
    • Publisher
      ニューサイエンス
  • [Book] Encyclopedia of Robotics2022

    • Author(s)
      Ang M.H., Khatib O., Siciliano B. (eds), Nomura, S.-i. M., Archer R. J. (2022) “Biomolecules for molecular robot structures”
    • Total Pages
      -
    • Publisher
      Springer, Berlin, Heidelberg
  • [Book] Molecular Robotics: An Introduction2022

    • Author(s)
      Satoshi Murata (Ed)(Chapter 3を野村が執筆・編集担当)
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      Springer Nature Singapore
  • [Remarks] 瀧ノ上研究室ホームページ

    • URL

      http://takinoue-lab.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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