Theory and methods for designing reliable DNA circuits by assembling unreliable molecular reactions

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04549
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21040:Control and system engineering-related
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: Nakakuki Takashi 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30435664)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 分子ロボティクス

Outline of Final Research Achievements

We successfully applied the basic theory of “finite-time regulation property,” which had been established in our previous study, to practical DNA circuits. Especially, we proposed the new method to evaluate the dynamic properties of DNA circuits, based on the frequency response analysis in control engineering. We also established a practical method to drive the DNA feedback regulator for a long time by using a photo-responsive molecule, azobenzene.
As an outreach of molecular robotics, we have compiled and written a chapter on the design theory of DNA circuits in the English book “Molecular Robotics” from the perspective of control theory.

Free Research Field

制御理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体分子で構成される分子ロボットは，様々な要素技術が統合された知的システムである。医療分野での応用が期待されている分子ロボットを実用化へと進展させる上で，高機能なDNA制御回路の実現が求められている。DNA回路の実態は化学反応系であり，その構成分子であるDNA鎖が分子部品となる。本研究では，DNA回路という高次非線形系に対して，特異摂動理論に基づく実用的な解析法を提案しており，制御理論の新たな拡張性を示唆している。また，分子ロボットの制御に必要なDNAフィードバック制御器を長時間駆動する設計法の確立は，分子ロボットの社会実装を進める上で必要不可欠となる技術である。