2016 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of Molecular Communication Interface for Information Processing by Employing Hybrid Artificial Cell Membranes "Cerasomes"
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25288077
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
菊池 純一 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (90153056)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 人工細胞膜 / セラソーム / 分子通信 / 情報伝達 / 分子認識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生物が分子と電子の両者を情報キャリアに用いて優れた情報伝達を達成していることに鑑み、これまで我々が推進してきた分子を情報キャリアとする人工の情報処理システム、いわゆる「分子通信システム」において、分子情報と電子情報の相互変換が可能なインターフェースを人工細胞膜で構築し、高次情報伝達系を創出することを目指している。平成２８年度は、以下の成果が得られた。
１．分子通信インターフェースにおける情報変換の機能拡張： 分子通信インターフェースにおいてセラソームと複合化させるレドックス分子としては、西洋わさびペルオキシダーゼや疎水性ビタミンB12誘導体が有効であることを前年度までに明らかにしてきたが、ヘモグロビンやコレステロールオキシダーゼを集積化したセラソームを用いても、分子情報を電子情報に効率よく変換する分子通信インターフェースが構築できることを新たに見出した。また、レドックス分子として疎水性ビタミンB12を集積化したセラソームでは、セラソーム形成脂質の分子骨格中に導入する酸解離基の種類を変えることで、疎水性効果と静電効果にもとづくセラソームの分子認識特性を反映して、分子情報から電子情報への選択的増幅変換が達成された。
２．分子通信インターフェースを構成する分子送受信機間の情報伝搬機能の制御： セラソームの高い構造安定性は、分子通信インターフェースにおける情報変換には極めて有効であるが、膜融合を伴う情報伝搬には不利にはたらく。このジレンマを解決するために、アミノ酸残基をもつ合成ペプチド脂質とセラソーム形成脂質をハイブリッド化することで、電極上への集積化が可能で且つ膜融合能をもつセラソームを新たに開発した。また、このハイブリッドセラソームにピリジンヌクレオチドのレドックス分子ユニットを導入することで、分子情報伝搬にレドックス応答性を賦与できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度に計画していた、分子通信インターフェースにおける情報変換の機能拡張に関しては、セラソームに様々なレドックス分子を複合化したインターフェースの作製が可能であることを実証し、分子情報から電子情報への選択的かつ効率的変換に汎用性があることを明らかにした。さらに、セラソームの構造安定性をチューニングすることで、基板上でのベシクル形態を保ちつつも膜融合能を有するハイブリッドセラソームを新たに開発し、送受信機間の膜融合を伴う情報伝搬と分子通信インターフェースでの情報変換を連動できる分子システム構築の可能性を示した。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度にあたる平成２９年度は、基本的には当初計画に従い、以下の観点から研究を推進する。
１．分子通信システムにおける情報伝搬と情報変換の連動
人工細胞膜を用いる分子通信では、分子送信機からの膜分裂による分子情報の発信、分子送信機と分子受信機間の分子情報の選択的伝搬、分子受信機への膜融合による分子情報の着信、分子受信機を装着した分子通信インターフェースにおける分子情報から電子情報への選択的増幅変換、という個々のプロセスが動作可能であることをこれまでに実証してきた。最終年度においては、これらのプロセスのさらなる機能向上に加えて、これら一連のプロセスを連動させるシステムの構築を行う。具体的には、前年度に開発したハイブリッドセラソームを送受信機及び分子カプセルに用いて、膜分裂や膜融合を伴った分子情報の伝搬を外部シグナルで制御し、これに分子通信インターフェースにおける分子情報から電子情報へ選択的増幅変換を連動できる分子システムの構築を目指す。
２．分子通信と電子情報通信を組み合わせた次世代情報通信技術の開発指針の探求
本研究の成果をまとめて体系化し、分子通信という新たな情報通信パラダイムの有用性を明らかにするとともに、電子情報処理にもとづく現在の情報通信技術との融合によって次世代情報通信技術を開発するための設計指針を提示する。
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| Causes of Carryover |
今年度の研究は、当初計画に沿って順調に成果をあげることができたが、経費使用にあたっては、現有の消耗品等を有効に活用することで節約を行い、学術研究助成基金助成金については未使用額を次年度の研究経費に使用できるよう工夫した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本研究は4年目が終了したが、今後1年間継続する研究であるので、学術研究助成基金助成金の未使用額は、次年度の研究成果をさらに拡張するための新たな物品購入や、研究成果を広く世界に発信するための旅費等に充てる計画である。
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Research Products
(10 results)
