2023 Fiscal Year Annual Research Report
Photo-control of DNA strand exchange reactions by ultra-fast DNA photocross-linking toward for the construction of precise DNA reaction circuits
Publicly Offered Research
| Project Area | Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry |
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| Project/Area Number |
23H04411
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
藤本 健造 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90293894)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | DNA光クロスリンク / 光リセット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は化学的アプローチによってDNAの１本鎖２本鎖状態を完全に制御することができれば、ノイズのないDNA鎖交換が可能となり、「C班:条件反射回路（肉、ベル系）への実装を通した光リセットの実現」や「スライム型分子ロボットへの走光性実装を通した異方性の実現」などに貢献できるのではと着想した提案となっている。2023年度は前者「C班:条件反射回路（肉、ベル系）への実装を通した光リセットの実現」への貢献を狙い今までにない光リセットの実現に向け研究を進めた。具体的にHEK293細胞におけるβアクチン蛋白質の5’UTRを対象とし、その配列に対して相補鎖となるCNVK含有アンチセンスODN Probeを用いることで，光によるβアクチン発現の促進が可能か調査した。細胞に対して光照射後インキュベーションしたものを採取し、ウエスタンブロッティングによりβアクチンの発現量を内部標準タンパクGAPDHの発現量と蛍光比率を用いて比較することにより評価した。その結果数倍ではあるが特定の蛋白質の発現を光を用いて促進できることを確認した。このことは光リセット機能を活用することで遺伝子の発現をOFFではなくONにできることを示唆しており、新しい光スイッチの開拓に成功したと考えられる。また後者「スライム型分子ロボットへの走光性実装を通した異方性の実現」についても２本鎖DNAに対する光操作法の開発についても取り組み、400塩基以上の長さのDNA２本鎖に対して新たなDNAを侵入させる光駆動型２本鎖DNA侵入法の開発にも成功した。
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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
本学術変革領域において核酸回路を光制御する技術は重要であると考えられ、自身提案時には一つの狙いとして「C班:条件反射回路（肉、ベル系）への実装を通し光リセットの実現」を目的の一つとしていた。これまで多くの関連研究者は光クロスリンクや光異性化を用いて光リセットすることには成功していたが、それらはONとなっていた回路をOFFにするものであった。今回、核酸反応回路のモデルとしてHEK293細胞におけるβアクチン蛋白質の発現系を用いたうえで、βアクチン蛋白質の5’UTRを対象としてその相補鎖となるCNVK含有アンチセンスODN Probeを用いれば，光によるβアクチン発現の促進が可能であることを見出した。光リセット機能の活用次第で難しいとされていた反応回路のONへのスイッチングに成功したと考えており、複雑な反応回路の光制御に向けて有意な研究成果と位置付けられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本申請では超高速DNA光架橋を用い、DNA１本鎖状態と２本鎖状態を完全に制御することで、精密な化学反応回路構築への展開をおこなう予定である。あらかじめ応答波長の異なる２つの光架橋素子（X、Y）を組み込んだ多機能ODNを用いる予定で、Xとしてチミン特異的光架橋素子：メチルピラノカルバゾールヌクレオシド、Yとして従来用いてきたシアノビニルカルバゾールヌクレオシドを想定している。DNA鎖交換反応の光制御において、366 nmの光照射により、状態A（架橋一箇所）から状態B（架橋二箇所）へ戻ることなく定量的に進行し、ODN-Aが消費されODN-Bが押し出される形で置き換わるかどうか確認をまずおこなう。400 nm、312 nmの照射時にYは開裂方向へ、Xは架橋・開裂の両反応が進行するため、ODN-Bが消費されODN-Aが押し出されといった光可逆的なスイッチングが可能かどうか検証する。そして最終的に「スライム型分子ロボットへの走光性実装を通した異方性の実現」などへの貢献を目指す。
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