2021 Fiscal Year Research-status Report
信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を創るための基礎論と設計法
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20K04549
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中茎 隆 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30435664)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / DNA回路 / 合理的設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，(1)信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論を確立し，(2)分子ロボットに搭載可能な高機能な制御回路を設計することを目指している。
(1)に関して：DNA回路の実態は，DNA鎖間で結合と解離が連鎖する化学反応系であり，一般に高次元な非線形常微分方程式で記述される。また，DNA回路は，燃料となるDNA鎖を消費しながら駆動するため，例えば分子ロボット内部の特定のDNA鎖の濃度を一定に保つためのレギュレータ回路を設計しても，制御性能は比較的短時間しか持続しない。この問題は，finite-time regulation propertyとして研究代表者らによって特徴づけられている。一般に，制御工学において，レギュレータの制御性能は，時刻を無限大とした極限（定常状態）において，出力と目標値との偏差にて評価されるため，定常状態ではなく，過渡特性において出現するレギュレータ機能をどのように評価・解析するかが焦点となる。そこで本研究では，研究代表者らが考案したDNA反応系を２つの時間スケールモデルに変換する手法を応用し，DNA回路の特性を周波数応答解析にて評価する手法を考案した。本手法は，非線形微分方程式を単純に線形化し，周波数特性を求めるものではない。本手法は，信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論の一つと位置付けられる。本成果は，査読付き国際会議論文にて発表済みである。
(2)に関して：2020年度において，3種類の基本反応系を組み合わせて複雑な機能を持つDNA回路を設計する手法に，光応答性分子アゾベンゼンを用いた設計をアドオンすることで，再利用可能なDNA回路設計の方法論を示した。今年度は，この手法を用いて，分子ロボットに搭載可能で再利用可能なレギュレータを設計した。本成果は，雑誌論文において発表済みである。実験検証も精力的に取り組んだ。
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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
(1)に関して：燃料となるDNA鎖が反応場に豊富に存在する，比較的短時間しか望ましい回路性能を示さないDNA回路のクラスは広い。特に，このクラスには，本研究課題における応用例に位置付けている分子ロボットのレギュレータ回路も含まれる。本研究で考案した解析手法は，非線形システムを２つの時間スケールに変換し，かつ，DNA反応系が有する特徴を活かすことで，周波数応答解析を可能とするため，Matlabなどのソフトウェアを用いることで，高次元システムであっても，比較的高速にボード線図やナイキスト線図を描くことができる。この手法を用いることで，例えば，査読付き国際会議論文において，既知のSeesaw gate（増幅回路の一種）が，入力印加後の過渡状態において，二重積分器としての機能を発現することを明らかにした。
(2)に関して：分子ロボットに搭載可能な高機能な制御回路として，本研究では「再利用性」に着目した。DNA反応系によるレギュレータ回路の設計法は，これまでいくつか提案されている。しかし，いずれもその動作は一回性であり，反応場において，燃料DNA鎖が不足すると制御性能は劣化し始め，最終的には制御器としての機能を失う。燃料を補給することで回路機能は回復するが，分子ロボットのようなカプセル（リポソームなど）に内包された反応場に存在するレギュレータ回路に，分子ロボットの外部から燃料を補給することは技術的に難しく現実的とは言えない。本研究では，分子ロボットに対して，紫外線照射を行うことで，レギュレータ機能を回復させることが可能となるため，実現性において優位と考えられる。今年度は，動作原理が異なる２つのレギュレータ回路について，再利用可能な設計法を提案し，それぞれ雑誌論文にて発表した。実証実験についても精力的に取り組んでおり，紫外線や可視光の照射条件を含めた実験プロトコルの確立を目指している。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)に関して：上述の今年度の「研究実績の概要」で述べたように，信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論の一つを構築することができた。今後の方針として，さらに基礎論とも言える方法論の構築を目指す。
(2)に関して：今年度は，DNAレギュレータ回路の再利用化設計を提案したが，一方で，光応答性分子アゾベンゼン修飾されたDNA鎖を用いてDNA反応系を設計した際に，そのダイナミクスがどのように変化するかについては未知の部分が多く，特に見かけの反応速度定数がどのように変化するのかの知見はほとんど存在しない。そこで，今後の方針としては，アゾベンゼン修飾されたDNA回路における，紫外線照射時，可視光照射時の結合速度定数，解離速度定数の同定実験を行う。また，本手法を実応用へと展開する上で，確立すべき実験プロトコル上の課題も解決していく。
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| Causes of Carryover |
DNA回路の実験に必要なオリゴDNA合成は，1回の設計で10万円程度必要となる。次年度使用額25,192円は，新たなオリゴDNA合成を行うには不足するため，残金が生じたが，次年度以降も引き続き実験を継続するため，有効に執行する計画である。
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