2022 Fiscal Year Annual Research Report
AutoMatter: Toward creation and expansion of programmable micro-active matter
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20H05701
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
野村 慎一郎 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50372446)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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Research Products
(50 results)
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[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”
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Publisher
Springer, Berlin, Heidelberg
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