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2022 Fiscal Year Annual Research Report

AutoMatter: Toward creation and expansion of programmable micro-active matter

Research Project

Project/Area Number 20H05701
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

野村 慎一郎  東北大学, 工学研究科, 准教授 (50372446)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (20511249)
清水 義宏  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (90401231)
大野 博久  京都大学, iPS細胞研究所, 特定拠点助教 (90612391)
Project Period (FY) 2020-08-31 – 2025-03-31
Keywordsオートマター / 人工細胞 / 自己複製 / 大量生産 / 電子-分子インタフェイス
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,プログラム可能な自動微粒子群・オートマターの実現に向けた要素技術の開発と統合を目的とする。 本年度は,課題の要素技術として4つのサブテーマ1)自己複製能,2)分子制御,3)自動大量生産,4)電子制御-分子インタフェイスの実現を目指し,さらに統合を目指した技術開発を行った。 1)について,清水グループは,2種類のタンパク質因子を加えることで,37℃かつタンパク質合成に最適な生理的塩濃度の条件下において,活性のあるリボソームが自己組織化されることを見出した。これは,PURE自己複製溶液の実現に向けた大きなステップとみなせる。2)について,大野グループでは,オートマター内部における分子制御を目的として,タンパク質発現制御の基盤となるRNA分子の改変を行い,タンパク質産生能力の向上や安定性の改善に成功した。また,化学修飾を導入することで化学的な安定性を高めたRNAナノ構造体の構築に成功した。これは,分子の空間配置を制御するための足場としての活用が期待できる。3)について,野村グループでは,オートマターの筐体となる人工多細胞体を簡便かつ大量に生産する手法を報告した。この構造は膜に包まれた液滴の自己集合によりcm以上のサイズになり,ロボットを用いた生産と評価の自動化にも成功した。膜を貫通して塩基配列情報を伝達可能なDNA構造の動作を確認し,さらにその疎水化DNAのシンプルな単離・精製手法についても解決に成功し報告した。4)について瀧ノ上グループでは,オートマターの自律的な運動を実現するために,マイクロスケールのDNA液滴にアゾベンゼン基を導入し,光照射による非平衡定常状態の生成による変形や回転運動を実現した。以上の成果は,分子分解能で設計された分子システムが,よりマクロなスケールの動作を制御可能であることの実証例であり,オートマター実現への技術統合に向けた重要な進歩である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2022年度は要素技術開発のうち,複数の項目で当初の計画以上の進展がみられた。本課題で最も困難と予想している自己複製機構の実現に向けたリボゾーム再構成実験について,リボゾームの崩壊と再構成とを司る因子が特定されるという,極めて大きな進展があった。リボソームは2価イオンのキレート剤によって構造的に崩壊することが知られているが,崩壊したリボソームに上記2因子および2価イオンを添加することよってリボソームが再活性化することを見出した。即ち,2因子および2価イオンの操作によって可逆的なリボソームの活性制御を行えることを見出した。これはオートマターのプログラム可能性において極めて重要な意味を持つ。これまで,リボソームの試験管内再構成には高温・高塩濃度の非生理的条件が必須であったが,今回の発見により,通常の条件で翻訳機能のON/OFFが可能になるのみならず,PURE自己複製溶液の実現に向けた大きなステップとみなせる。3)について,自己集合的に調製される人工多細胞体のサイズはcmスケールにおよび,裸眼で見て手で触れる段階である。ロボットを用いた自動調製と評価も可能になり,内部でのPUREタンパク質合成系の動作も確認された。脂質膜を貫通するDNAナノ構造による配列情報伝達も動作しており,さらに疎水場を高分子で強化することで,水環境から取り出すことも可能となった。また4)について,瀧ノ上グループでは,オートマターの自律的な運動を実現する目的のため,光エネルギーを利用した自発的な変形や回転運動を示すDNA液滴の構築を行った。具体的には,DNA液滴を構成する分岐型DNAナノ構造の粘着末端部分にアゾベンゼン基を修飾し,光異性化反応を利用した非平衡定常状態により変形や回転運動を実現した。これらは研究開始当初からは予想されなかった重要な結果であり,総じて本課題は当初の計画以上に進展したと考えている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き,本課題の要素技術として4つのサブテーマ1)自己複製能,2)分子制御,3)自動大量生産,4)電子制御-分子インタフェイスの実現と,その統合を目指す。サブテーマ1) PURE発現系からのリボソームの自己組織化に注力し,PURE自己複製溶液の構築を目指す。またサブテーマ2-4との連携による人工(多)細胞への組み込み研究を進め,オートマターとしての実装を目指す。サブテーマ2)これまでに構築したRNP分子制御システムを発展させ,人工細胞内部からの分子的制御手法の検討を行う。特に,新たに見出した無細胞RNP制御系の研究を進め,自律的かつ選択的な遺伝子発現の制御手法の確立を目指す。サブテーマ3)人工多細胞体のコンパートメント間相互作用/内外情報伝達システムの実現に注力する。複数種のコンパートメントを共存させた系で内外の分子情報の連鎖的処理を行うために,特にサブテーマ1と2との統合を目指す。既に報告した磁場による制御に加え,DNAナノ構造および分子電場による操作可能性について研究を進める。サブテーマ4)外部制御可能な分子デバイスとして,光応答性核酸液滴の開発を進める。DNA液滴の単分散生成手法の確立を目指し,外部からの信号入力によるオートマターの動作制御を実現する新しいDNA液滴の開発に取り組む。以上のサブテーマを各チームで進めることに加えて,各要素技術を人工細胞/多細胞体へ導入し,連携動作による分子的・外的な制御についての機能評価を進める。

  • Research Products

    (50 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (17 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 16 results,  Open Access: 14 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 3 results) Book (5 results) Remarks (4 results)

  • [Int'l Joint Research] University of West of England(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University of West of England
  • [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] Versatile strategy using vaccinia virus-capping enzyme to synthesize functional 5′ cap-modified mRNAs2023

    • Author(s)
      Ohno Hirohisa、Akamine Sae、Mochizuki Megumi、Hayashi Karin、Akichika Shinichiro、Suzuki Tsutomu、Saito Hirohide
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 51 Pages: e34~e34

    • DOI

      10.1093/nar/gkad019

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synthetic circular RNA switches and circuits that control protein expression in mammalian cells2023

    • Author(s)
      Kameda Shigetoshi、Ohno Hirohisa、Saito Hirohide
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 51 Pages: e24~e24

    • DOI

      10.1093/nar/gkac1252

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ebola virus-like particles reprogram cellular metabolism2023

    • Author(s)
      Tang Huaqi、Abouleila Yasmine、Saris Anno、Shimizu Yoshihiro、Ottenhoff Tom H. M.、Mashaghi Alireza
    • Journal Title

      Journal of Molecular Medicine

      Volume: - Pages: 1-12

    • DOI

      10.1007/s00109-023-02309-4

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [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] 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

    • DOI

      10.1002/syst.202200006

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molecular Cybernetics: Challenges toward Cellular Chemical Artificial Intelligence2022

    • Author(s)
      Murata Satoshi、Toyota Taro、Nomura Shin‐ichiro M.、Nakakuki Takashi、Kuzuya Akinori
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 32 Pages: 2201866~2201866

    • DOI

      10.1002/adfm.202201866

    • 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] ePURE_JSBML: A Tool for Constructing a Deterministic Model of a Reconstituted Escherichia coli Protein Translation System with a User‐Specified Nucleic Acid Sequence2022

    • Author(s)
      Shimizu Yoshihiro、Tanimura Naoki、Matsuura Tomoaki
    • Journal Title

      Advanced Biology

      Volume: 7 Pages: 2200177~2200177

    • DOI

      10.1002/adbi.202200177

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A large‐scale targeted proteomics of plasma extracellular vesicles shows utility for prognosis prediction subtyping in colorectal cancer2022

    • Author(s)
      Kasahara Keiko、Narumi Ryohei、Nagayama Satoshi、Masuda Keiko、Esaki Tsuyoshi、Obama Kazutaka、Tomonaga Takeshi、Sakai Yoshiharu、Shimizu Yoshihiro、Adachi Jun
    • Journal Title

      Cancer Medicine

      Volume: 12 Pages: 7616~7626

    • DOI

      10.1002/cam4.5442

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Transfer RNA Synthesis-Coupled Translation and DNA Replication in a Reconstituted Transcription/Translation System2022

    • Author(s)
      Miyachi Ryota、Shimizu Yoshihiro、Ichihashi Norikazu
    • Journal Title

      ACS Synthetic Biology

      Volume: 11 Pages: 2791~2799

    • DOI

      10.1021/acssynbio.2c00163

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A red light-responsive photoswitch for deep tissue optogenetics2022

    • Author(s)
      Kuwasaki Yuto、Suzuki Kazushi、Yu Gaigai、Yamamoto Shota、Otabe Takahiro、Kakihara Yuki、Nishiwaki Michiru、Miyake Keita、Fushimi Keiji、Bekdash Ramsey、Shimizu Yoshihiro、Narikawa Rei、Nakajima Takahiro、Yazawa Masayuki、Sato Moritoshi
    • Journal Title

      Nature Biotechnology

      Volume: 40 Pages: 1672~1679

    • DOI

      10.1038/s41587-022-01351-w

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Capillary microsampling-based single-cell metabolomics by mass spectrometry and its applications in medicine and drug discovery2022

    • Author(s)
      Abouleila Yasmine、Ali Ahmed、Masuda Keiko、Mashaghi Alireza、Shimizu Yoshihiro
    • Journal Title

      Cancer Biomarkers

      Volume: 33 Pages: 437~447

    • DOI

      10.3233/CBM-210184

    • Int'l Joint Research
  • [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: e202200240

    • 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
  • [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] 無細胞から迫る増える人工細胞2023

    • Author(s)
      清水義宏
    • Organizer
      第9回Yet Another Artificial-Cells研究会
  • [Presentation] RNAを基盤とするハイブリッド人工細胞の創成2023

    • Author(s)
      齊藤博英
    • Organizer
      第9回Yet Another Artificial-Cells研究会
  • [Presentation] 動く液滴と人工細胞2023

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第9回Yet Another Artificial-Cells研究会
  • [Presentation] 人工多細胞の自動合成と自動操作2023

    • Author(s)
      野村M.慎一郎
    • Organizer
      第9回Yet Another Artificial-Cells研究会
  • [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] Designing RNP network structures for inducing um-scale molecular assembly2022

    • Author(s)
      Kazuya Ankai, Hirohisa Ohno, Hirohide Saito, Shin-ichiro M. Nomura
    • Organizer
      第23回日本RNA学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Toward automated production of Multicellular Lipid Compartments2022

    • Author(s)
      Ryo Shimizu, Richard Archer James, Gen Hayase, Satoshi Murata, Shinichiro M. Nomura
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会
  • [Presentation] Three-dimensional motility assay with microtubules and kinesin2022

    • Author(s)
      Hisanori Saito,Gikyo Usuki,Kohei Nishiyama,Nathanael Aubert-Kato,Shinichiro M. Nomura,Satoshi Murata,Akira Kakugo,Ibuki Kawamata
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会
  • [Presentation] DNA 増幅を動力源とするナノモーターの設計と評価 / Design and evaluation of nanomotors powered by DNA amplification2022

    • Author(s)
      Riku Yoshino, Richard James Archer, Satoshi Murata, Shinichiro Nomura, Ibuki Kawamata
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会
  • [Presentation] 人工細胞間でのDNA配列情報の伝達に向けた分子トランスデューサの研究2022

    • Author(s)
      吉田 海, 川又生吹,濵田省吾,松林秀明,村田智,野村 M. 慎一郎
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会15.0
  • [Presentation] 人工細胞間でのDNA配列情報の伝達に向けた分子トランスデューサ2022

    • Author(s)
      吉田 海, 川又生吹,濵田省吾,松林秀明,村田智,野村 M. 慎一郎
    • Organizer
      第6回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] Toward automated production of Multi-cellular Lipid Compartments2022

    • Author(s)
      Ryo Shimizu, Richard Archer James, Gen Hayase, Satoshi Murata, Shinichiro M. Nomura
    • Organizer
      第6回分子ロボティクス年次大会
  • [Presentation] Synthetic Circular mRNA Engineering for Cell-Type-Specific Translational Regulation2022

    • Author(s)
      Shigetoshi Kameda, Hirohisa Ohno, Hirohide Saito
    • Organizer
      第23回日本RNA学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] RNA origami structure made of RNA tertiary structural motif2022

    • Author(s)
      Chisato Sawanobori, Hirohisa Ohno, Megumi Mochizuki, Hirohide Saito
    • Organizer
      第23回日本RNA学会年会
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Programmable circular mRNA devices that enable superior stability and gene expression persistence2022

    • Author(s)
      Shigetoshi Kameda, Hirohisa Ohno, Hirohide Saito
    • Organizer
      日本核酸医薬学会第7回大会
  • [Presentation] RNA nanostructures using 3-dimensional RNA structures as a motif2022

    • Author(s)
      Chisato Sawanobori, Hirohisa Ohno, Megumi Mochizuki, Hirohide Saito
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会15.0
  • [Presentation] Towards full scratch engineering of a protein synthesis system2022

    • Author(s)
      清水義宏
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] Artificial cells emerging from programmable soft matter droplets2022

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      Cell mimicry: bottom-up engineering of life
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Remotely controllable DNA microflow2022

    • Author(s)
      Hirotake Udono, Shin-ichiro M. Nomura, Msasahiro Takinoue
    • Organizer
      The 26th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2022)
    • Int'l Joint Research
  • [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
  • [Book] 細胞,54(4), 194-197(2022)2022

    • 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 Robotics.2022

    • 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
  • [Book] Molecular Robotics: An Introduction2022

    • Author(s)
      Satoshi Murata (Ed)(p.157-167をH. Ohno, C. Sawanobori, H. Saitoが執筆担当)
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      Springer Nature Singapore
  • [Book] Molecular Robotics: An Introduction2022

    • Author(s)
      Satoshi Murata (Ed)(p. 249-258をH. Ohno, S. Komatsu, H. Saitoが執筆担当)
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      Springer Nature Singapore
  • [Remarks] 野村研究室Webpage

    • URL

      https://sites.google.com/site/smnomuralaboratory/

  • [Remarks] 東北大学 2023年 | プレスリリース・研究成果 多細胞型分子ロボット製造のための新手法を開発

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/03/press20230328-01-robot.html

  • [Remarks] 講談社ブルーバックス 「多細胞型ロボット」は宇宙へと旅立つか? 生命と機械との「界面」を越えて

    • URL

      https://gendai.media/articles/-/106106

  • [Remarks] 九州工業大学2023年 プレスリリース・人工細胞膜上で機能するナノデバイスの新たな精製方法を確立

    • URL

      https://www.kyutech.ac.jp/whats-new/press/entry-9698.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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