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2016 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

Research Project

Project/Area Number 26280097
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (20511249)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 尾上 弘晃  慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (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  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 (90708504)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2018-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements

研究代表者の瀧ノ上は,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,機能の解析を実現した.また,マイクロ粒子の自律的な集団運動を実現し,その物理モデルの構築や運動のシミュレーションにも成功した.触媒反応によって気泡を発して自律駆動するマイクロ粒子のゆらぎ等の影響に関する成果を得た.分担者の森田と瀧ノ上は,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.
研究分担者の尾上は瀧ノ上と協力し,磁性体を半球に封入したマイクロヤヌスゲルビーズにおける歳差磁場内での動的構造変形について評価を行い,内容をJournal of Applied Physics誌に投稿,掲載された.またヤヌスゲルビーズの材料を細胞が封入可能なコラーゲンゲルへと応用展開をし,微小なマイクロゲルビーズ空間内で細胞間の相互作用系を含むアセンブルユニットの開発を行った.その結果をAdvanced Healthcare Materials誌に投稿,掲載された.
分担者の原は,振動反応であるBZ反応で高分子鎖の状態が周期的に変化する自励振動高分子を用いて,細胞サイズの分子ロボットの実現へ応用することを目的として研究を実施した.自励振動高分子は主鎖の化学構造に依存して大きく振動挙動が異なることが,これまでの研究から明らかになっており,本年度では細胞サイズの分子ロボットの実現に最適な高分子の化学構造を決定することを目指して,様々な自励振動高分子を合成し,その振動挙動と基礎物性について計測を行った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題は,DNA分子ロボットの自己組織化技術の実現と,分子ロボットのための自律運動技術の構築である.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,動的に自己組織化したりする技術の構築と物理モデルの構築に成功している.また,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.さらに,尾上はマイクロゲルビーズ内に液性因子拡散による細胞間相互作用を組み込むことが可能なコラーゲンゲルユニットの開発に成功し,より複雑なマイクロ構造場の制御を実証した.また,分担者の原は,広い温度範囲で安定に振動挙動を実現することが可能な自励振動高分子について検討を行った結果,温度応答性がない主鎖を採用することで広い温度範囲で安定な振動を実現することが可能ではあるが,振幅が減少する傾向があることが分かった.このように,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.

Strategy for Future Research Activity

代表者の瀧ノ上は分担者らと協力して,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,RNA転写をベースとしたDNAコンピューティング反応を有する小胞型分子ロボットを発展させる.さらに,瀧ノ上と分担者尾上は,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とともに,自律運動のメカニズムの解明等も進める.分担者の原は,広い温度範囲で大きな振幅が得られる主鎖構造を探索するとともに,高いpH領域でも駆動する細胞サイズの自励振動型分子ロボットの作製を継続して検討する.

Causes of Carryover

本年度研究において新たな発見を含む大きな進展があり,これをさらに進めることで,当初計画した研究を遂行することができるだけでなく,化学的に重要な成果が得られるため.また,来年度,これを更に進めるためには,実験消耗品やその他経費が必要となるが,当初計画を効率的・効果的に進めた結果,直接経費を節約できたので,その分を利用して,当初計画の研究を発展させる.

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,計測機器の購入や実験消耗品類の購入に充てる.

  • Research Products

    (37 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 4 results) Book (2 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Twisting microfluidics in a planetary centrifuge2017

    • Author(s)
      Shoya Yasuda, Masayuki Hayakawa, Hiroaki Onoe, *Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: vol.13(11) Pages: 2141-2147

    • DOI

      doi:10.1039/C6SM02695H

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Compartmentalized spherical collagen microparticles for anisotropic cell culture microenvironments2017

    • Author(s)
      Satoru Yoshida, Masahiro Takinoue, *Hiroaki Onoe
    • Journal Title

      Advanced Healthcare Materials

      Volume: vol.6 Pages: 1601463

    • DOI

      doi:10.1002/adhm.201601463

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Influence of asymmetry and driving forces on the propulsion of bubble-propelled catalytic micromotors2016

    • Author(s)
      Masayuki Hayakawa, Hiroaki Onoe, Ken H. Nagai, *Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: vol.7(12) Pages: 229

    • DOI

      doi:10.3390/mi7120229

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Self-Assembled Microcapsule of Amphiphilic Janus DNA Nanoplates at the Water-Oil Interface2016

    • Author(s)
      Daisuke Ishikawa, Yuki Suzuki, Chikako Kurokawa, Masayuki Ohara, Masamune Morita, Miho Yanagisawa, Ryuji Kawano, Masayuki Endo, Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Proc. microTAS

      Volume: - Pages: 116-117 (2C3-2)

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 連載「DNAナノテクノロジー」―構造をつくり,計算し,ナノロボットを動かす―:第2回ナノテク材料としてのDNA2016

    • Author(s)
      石川大輔, 瀧ノ上正浩
    • Journal Title

      現代化学

      Volume: - Pages: No.5, pp.48-53

  • [Journal Article] Dynamic transformation of self-assembled structures using anisotropic magnetized hydrogel microparticles2016

    • Author(s)
      Satoru Yoshida, Masahiro Takinoue, Eiji Iwase, Hiroaki Onoe
    • Journal Title

      J. Appl. Phys.

      Volume: Vol. 120 Pages: 084905

    • DOI

      DOI: 10.1063/1.4961422.

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Vertically Separated Anisotropic 3D Collagen Microchamber Array2016

    • Author(s)
      Satoru Yoshida, Masahiro Takinoue, Hiroaki Onoe
    • Journal Title

      Proc. microTAS

      Volume: - Pages: pp.7-8 (1A1-3)

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 排除体積効果を利用した定常的な非対称ポテンシャル下における自発運動モデルの構築2017

    • Author(s)
      早川雅之,岸野友輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第72回日本物理学会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス, 大阪
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] 化学反応を駆動源とするケミカルアクチュエータの開発2017

    • Author(s)
      原 雄介
    • Organizer
      早稲田大学 理工学研究科 講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学 先端医療医科学センター
    • Year and Date
      2017-03-15 – 2017-03-15
    • Invited
  • [Presentation] 定常非対称ポテンシャルと排除体積効果により生じる自発運動の解析と数理モデルの構築2016

    • Author(s)
      早川雅之,岸野友輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第26回非線形反応と協同現象研究会
    • Place of Presentation
      明治大学中野キャンパス, 東京
    • Year and Date
      2016-12-10 – 2016-12-11
  • [Presentation] 時空間機能を有するゲルアクチュエータの開発とケミカルロボティクスの開拓研究2016

    • Author(s)
      原 雄介
    • Organizer
      岐阜大学 公開講演
    • Place of Presentation
      岐阜大学
    • Year and Date
      2016-12-02 – 2016-12-02
    • Invited
  • [Presentation] Microfluidic droplet reactor for artificial/living cellular systems2016

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
    • Invited
  • [Presentation] マ イクロ液滴界面を利用したRNA転写配列を有するDNAマイクロ構造体の構築 (Construction of DNA micro-structures with RNA transcription sequences using the interface of microdroplets.)2016

    • Author(s)
      Risa Watanabe, Masamune Morita, Miho Yanagisawa, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] プログラマブルな性質を有するDNA ナノプレートからなるマイクロカプセルの形成, Microcapsular compartments composed of programmable DNA nanoplates2016

    • Author(s)
      Daisuke Ishikawa, Yuki Suzuki, Chikako Kurokawa, Masayuki Ohara, Misato Tsuchiya, Masamune Morita, Miho Yanagisawa, Ryuji Kawano, Masayuki Endo, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] 両親媒性DNAオリガミによるW/Oマイクロエマルションの光応答性観察 (Photo-responsive water-in-oil microemulsion made of amphiphilic DNA origami.)2016

    • Author(s)
      Misato Tsuchiya, Daisuke Ishikawa, Yuki Suzuki, Masayuki Endo, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] 離散的な相互作用を行う振動子ネットワークの解析2016

    • Author(s)
      伊藤真奈美, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第54回 生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] 混み合い状況下におけるマイクロ粒子のラチェット輸送(Ratchet transport of microparticles in crowded conditions.)2016

    • Author(s)
      Masayuki Hayakawa, Yusuke Kishino, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場, 茨城
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] マイクロ液滴界面を利用したRNA転写配列を 有するDNAフラクタルマイクロ構造体の構築(Construction of DNA fractal micro-structures with RNA transcription sequences using the interface of microdroplets.)2016

    • Author(s)
      渡邉理佐, 森田雅宗, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会9.0
    • Place of Presentation
      早稲田大学早稲田キャンパス・井深大記念ホール, 東京
    • Year and Date
      2016-11-21 – 2016-11-22
  • [Presentation] 相互作用が時間離散的に変化するシステムにおけるパターン生成2016

    • Author(s)
      伊藤真奈美, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会 第33回研究会 9.0
    • Place of Presentation
      早稲田大学 国際会議場 井深大記念ホール, 東京
    • Year and Date
      2016-11-21 – 2016-11-22
  • [Presentation] DNAナノ構造体の油水界面集積によるマイクロカプセル形成2016

    • Author(s)
      石川大輔, 鈴木勇輝, 黒川知加子, 大原正行, 土屋美恵, 森田雅宗, 柳澤実穂, 遠藤政幸,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「細胞を創る」研究会9.0
    • Place of Presentation
      早稲田大学早稲田キャンパス・井深大記念ホール, 東京
    • Year and Date
      2016-11-21 – 2016-11-22
  • [Presentation] 定常電場下で密度依存的に生じるマイクロ粒子集団輸送の解析2016

    • Author(s)
      早川雅之,岸野友輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      非線形ソフトマター研究会2016
    • Place of Presentation
      横浜市民ふれあいの里, 神奈川
    • Year and Date
      2016-10-29 – 2016-10-30
  • [Presentation] 垂直境界面を有する異方性コラーゲンマイクロウェルアレイ2016

    • Author(s)
      吉田悟, 瀧ノ上正浩, 尾上弘晃
    • Organizer
      第33回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Place of Presentation
      平戸
    • Year and Date
      2016-10-24 – 2016-10-26
  • [Presentation] Self-Assembled Microcapsule of Amphiphilic Janus DNA Nanoplates at the Water-Oil Interface2016

    • Author(s)
      Daisuke Ishikawa, Yuki Suzuki, Chikako Kurokawa, Masayuki Ohara, Masamune Morita, Miho Yanagisawa, Ryuji Kawano, Masayuki Endo, *Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 20th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2016)
    • Place of Presentation
      Convention Center Dublin, Dublin, Ireland.
    • Year and Date
      2016-10-09 – 2016-10-13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Vertically separated anisotropic 3D collagen microchamber array2016

    • Author(s)
      Satoru Yoshida, Masahiro Takinoue, Hiroaki Onoe
    • Organizer
      The 20th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • Place of Presentation
      Dublin, Ireland
    • Year and Date
      2016-10-09 – 2016-10-13
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Self-assembly of DNA microstructures on a cationic lipid interface of water-in-oil microdroplet2016

    • Author(s)
      Masamune Morita, Shin-ichiro M. Nomura, Satoshi Murata, Miho Yanagisawa, *Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 22nd International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA22)
    • Place of Presentation
      Ludwig-Maximilians-University (LMU), Munich, Germany
    • Year and Date
      2016-09-04 – 2016-09-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 鋸歯型電場によるマイクロ粒子の輸送2016

    • Author(s)
      早川雅之,岸野友輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第4回分子ロボティクス若手の会
    • Place of Presentation
      しいのき迎賓館, 石川
    • Year and Date
      2016-08-20 – 2016-08-20
  • [Presentation] 分子センシングマイクロシステム構築へのアプローチ2016

    • Author(s)
      石川大輔, 鈴木勇輝, 黒川知加子, 大原正行, 森田雅宗, 柳澤実穂, 遠藤政幸,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第4回分子ロボティクス若手の会
    • Place of Presentation
      石川県政記念しいのき迎賓館, 石川
    • Year and Date
      2016-08-20 – 2016-08-20
  • [Presentation] ラチェット電場により引き起こされるマイクロビーズの集団運動2016

    • Author(s)
      早川雅之,岸野友輔,瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第10回自己組織化討論会
    • Place of Presentation
      山岸園, 静岡
    • Year and Date
      2016-06-25 – 2016-06-26
  • [Presentation] 疎水性を付与したDNA ナノプレートによるマイクロカプセル作製2016

    • Author(s)
      石川大輔, 鈴木勇輝, 黒川知加子, 大原正行, 森田雅宗, 柳澤実穂, 遠藤政幸, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      「分子ロボティクス研究会」2016年6月 定例研究会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 田町キャンパス, 東京
    • Year and Date
      2016-06-11 – 2016-06-11
  • [Presentation] 油水界面を集積場として利用した DNA ナノ構造体のマイクロカプセル化2016

    • Author(s)
      石川大輔, 鈴木勇輝, 黒川知加子, 森田雅宗, 柳澤実穂, 遠藤政幸, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第33回研究会 (CHEMINAS33)
    • Place of Presentation
      東京大学生産技術研究所, 東京
    • Year and Date
      2016-04-25 – 2016-04-26
  • [Presentation] 荷電脂質膜界面における DNA ミクロ構造の形成2016

    • Author(s)
      森田雅宗, 石川大輔, 野村 M. 慎一郎, 村田智, 柳澤実穂, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第33回研究会 (CHEMINAS33)
    • Place of Presentation
      東京大学生産技術研究所, 東京
    • Year and Date
      2016-04-25 – 2016-04-26
  • [Presentation] Droplet microfluidics によるバクテリア連続培養システム2016

    • Author(s)
      伊藤真奈美, 杉浦晴香, 鮎川翔太郎, 木賀大介, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第33回研究会 (CHEMINAS33)
    • Place of Presentation
      東京大学生産技術研究所, 東京
    • Year and Date
      2016-04-25 – 2016-04-26
  • [Presentation] バイオソフトマターのミクロ制御による分子ロボティクス2016

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 ⅦI」
    • Place of Presentation
      理化学研究所(和光), 埼玉
    • Year and Date
      2016-04-14 – 2016-04-15
    • Invited
  • [Book] 人工細胞の創製とその応用 (Promising Construction and Applications of Artificial Smart-Cells)”, 第2章人工膜創製技術:第5節バイオソフトマターの物理工学に基づく非平衡開放系の人工細胞の構築と制御2017

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩,他
    • Total Pages
      215
    • Publisher
      シーエムシー出版
  • [Book] 材料表面の親水・親油の評価と制御設計”, 第5章 界面自由エネルギーから運動エネルギーへの変換:第6節 静電位によって駆動される微小水滴2016

    • Author(s)
      栗村朋, 市川正敏, 瀧ノ上正浩,他
    • Total Pages
      600
    • Publisher
      テクノシステム
  • [Remarks] 瀧ノ上研究室ホームページ

    • URL

      http://www.takinoue-lab.jp

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 異方性ハイドロゲル、マイクロビーズ、マイクロビーズの製造方法、足場及び足場の製造方法2016

    • Inventor(s)
      吉田悟(40%), 尾上弘晃(40%), 瀧ノ上正浩(20%)
    • Industrial Property Rights Holder
      吉田悟(40%), 尾上弘晃(40%), 瀧ノ上正浩(20%)
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願 2016-198973
    • Filing Date
      2016-10-07

URL: 

Published: 2018-01-16  

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