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
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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, 情報理工学院, 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, 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)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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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，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．
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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
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．
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| 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．
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| 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．
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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，計測機器の購入や実験消耗品類の購入に充てる．
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[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
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[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
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