2015 Fiscal Year Annual Research Report
マイクロ非平衡場の制御による細胞サイズ分子ロボットの動的自己組織化と自律運動
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26280097
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
瀧ノ上 正浩 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (20511249)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾上 弘晃 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (30548681)
原 雄介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90452135)
森田 雅宗 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 研究員 (90708504)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボット / マイクロマシン / 非平衡 / 自己組織化 / 動的自己組織化 / DNA / ゲル / エマルション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者の瀧ノ上は，白金触媒によって生成する気泡で自己推進するマイクロサイズの複雑形状ゲル粒子の構築と制御および理論の構築を行った．具体的には，昨年度構築した遠心力を利用した液滴射出マイクロ流体システムにより，直径約100 μmの複雑形状の粒子を生成し，形状の非対称性による推進の制御（並進/回転/円運動）を実現し，数理モデルによって運動をシミュレートすることができた．また，DNAオリガミ技術を用いたエマルション型の細胞サイズ分子ロボットの構築にも成功した．分担者の森田は，瀧ノ上とともに，上記マイクロ流体システムを応用し，脂質二重膜小胞（リポソーム）の生成と制御に成功し小胞型分子ロボット構築技術を発展させた．さらに，森田と瀧ノ上は，DNAゲル技術を用いてスケルトン構造や球殻構造を持つDNAマイクロスフィアの生成と，その生成メカニズムの解明に成功した．
分担者の尾上は瀧ノ上と協力して，外場に応答して動的に自己組織化するマイクロスケールのゲル粒子の生成・制御と理論の構築を行った．具体的には，上記マイクロ流体システムにより，直径約100 μmの磁性体を封入したヤヌス型のマイクロ粒子を形成し，回転交流磁場（歳差磁場）内においてマイクロゲル粒子の駆動および自己組織化のダイナミクスを観察した．その結果，歳差磁場の回転速度依存的に，自己組織化パターンを形成・制御することに成功した．この現象は，マイクロ粒子周囲に生じる磁力と流体力の相互作用を仮定した数理モデルにより説明することができた．分担者の原は，化学振動反応であるBZ（Belousov-Zhabotinsky）反応を細胞サイズの分子ロボット実現へ応用するため，力学的なエネルギーに自励変換して駆動する自励振動高分子の構築を行った．様々な環境で駆動できるような検討を行うとともに，マクロスケールへの拡張も検討した．
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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
まず，分子ロボットのボディ開発において，マイクロ流体システムを利用することでの自己組織化するマイクロパーティクルの複雑化および外場による制御が研究課題であった．代表者の瀧ノ上は，プロペラ等の複雑構造を有する粒子やファイバーを生成する基礎技術開発に成功するとともに，分担者の尾上と協力することで，化学分子濃度場（過酸化水素水濃度），磁場（歳差磁場）による外場からのエネルギー供給で自律的に駆動したり，自己組織化したりする原理の構築と物理メカニズムを入れた数理モデルの構築に成功している．さらに，もう一つの課題である小胞型の細胞サイズ分子ロボットの構築に関して，瀧ノ上は，DNAオリガミ技術を用いた油中水滴型の細胞サイズ分子ロボットの構築において，分担者の森田は瀧ノ上と協力して，リポソームを用いたものやDNAゲルを用いたものなど複数の手法において成果を挙げている．また，分担者の原は，化学-力学エネルギー変換として重要になるBZ反応駆動の高分子システムに関して，様々な環境においての駆動条件の検討や改良に成功している．
以上のように，最終目的を達成するための研究進捗は順調であると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
代表者の瀧ノ上は，多細胞化（細胞サイズのゲル粒子の相互作用ができるような系）のための技術の構築を進めるとともに，DNAを用いた機能性の小胞による細胞サイズ分子ロボットの発展を行う．具体的には，DNAオリガミ技術による小胞型分子ロボットを実現するとともに，分担者の森田と協力して，DNAスケルトン構造による小胞型分子ロボット，および，DNAコンピューティング反応を内包したリポソームによる小胞型分子ロボットを発展させる．
分担者の尾上は，歳差磁場を利用した，多数マイクロ粒子の動的な自己組織化システムを発展させ，外場に応答しながら動的に構造が構築されたり変形したりするシステムについて検討する．また動的自己組織化システムの工学的に応用展開を見据え，コラーゲンゲルなどアルギン酸ゲル以外のマイクロ粒子の素材についても検討する．
分担者の原は，さらに様々な環境で駆動する自励振動高分子を発展させ，化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換可能な細胞サイズの分子ロボットの作製を目指していく．特に，マイクロメートルスケールでの駆動について検討する．
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| Causes of Carryover |
実験回数が当初予定よりも少なく済み，高価な消耗品の試薬・材料の費用が抑えられたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度新たに発見された知見をさらに発展させ，当初計画をさらに迅速に遂行するために，実験消耗品類の購入に充てる．また，得られた成果を論文誌等で公表するための費用にも充てる．
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[Presentation] 人工細胞構築を目指した微小流体の制御2016
Author(s)
瀧ノ上正浩
Organizer
生命動態システム科学四拠点,CREST,PRESTO,QBiC合同シンポジウム「生命動態の分子メカニズムと数理」,
Place of Presentation
広島シェラトンホテル, 広島
Year and Date
2016-03-25
Invited
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