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DNA Nanoscale Modality

Planned Research

Project AreaGenome modality: understanding physical properties of the genome
Project/Area Number 20H05935
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

瀧ノ上 正浩  東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (20511249)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 宏明  中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥127,530,000 (Direct Cost: ¥98,100,000、Indirect Cost: ¥29,430,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2021: ¥33,280,000 (Direct Cost: ¥25,600,000、Indirect Cost: ¥7,680,000)
Fiscal Year 2020: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
KeywordsDNAナノテクノロジ / 人工染色体 / 人工細胞 / マイクロ流体工学 / 分子ロボティクス / DNAナノテクノロジー / 人工クロマチン / 人工細胞核 / DNAゲル
Outline of Research at the Start

DNAは、ナノスケールでは硬い構造を持ち、メゾスケール (ゲノムDNAスケール; 数百 nmから数十μm) では柔軟な高分子物性を示す階層性のある「ソフトマター」である。DNAのナノスケールの熱力学は分かっているものの、細胞生物学的に重要なメゾスケールの構造物性や動態については解明が進んでいない。本研究では、ゲノムDNAモデルや細胞核モデルを人工合成することにより、メゾスケールのDNAの構造物性や制御原理をナノスケールから解明することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、DNAが、ナノ情報を元に、細胞核スケールの微小空間で、いかにしてメゾ・マイクロスケールのマルチモーダルなゲノムDNAの構造・物性・機能(液-液相分離、分子内相分離、界面張力、粘弾性、体積相転移、非平衡性など)を発現するのか、そのソフトマター物理学的な起源は何かということを解明することである。研究代表者・瀧ノ上と分担者・鈴木は、細胞の環境を模擬した容器、ジャイアントリポソームを自在に作り出し、その中でのゲノムの挙動を調べるための技術開発を行った。今年度は、マイクロ流路を用いて、少量の溶液を再現性よく均一GUVに封入する技術を開発した。この技術を発展させて具体的なDNAナノ構造の形状や配列と物性の関係を探った。その結果、粘着末端配列、塩濃度、DNA濃度に依存して、リポソーム内でDNAゲルが生成する条件を見出した。また、浸透圧等の外部刺激でそれをコントロールする方法を見出した。また、研究代表者・瀧ノ上は、独自の技術であるDNA液滴を外部から入力した、がんマーカーのマイクロRNA(miRNA)(ナノメートルスケールの分子)の有無によって、相分離・分裂させる方法を構築した。すなわち、DNA液滴のもつメゾ・マイクロスケールの流体物性によって、環境のナノ分子のセンシングができることを示しており、ナノスケールの化学反応とメゾ・マイクロスケールの物理的な性質がカップルできることを示した。また、DNAナノプレート等の構造が、液-液相分離液滴の界面に集積する現象を発見し、A01-1班研究協力者の吉川らとともに、その物理的なメカニズムの探求とともに、ナノ物質のフィルトレーションに応用できることを示した。メカニズムとしては、枯渇効果が効いていると考えられ、細胞核内などの微小空間におけるDNA集合体の性質を調べる研究へ展開が可能であると考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究代表者・瀧ノ上は、計画にある通り、数nmサイズのDNAナノ構造を多数集積させた数μmサイズ(細胞核サイズ)のDNAマイクロゲルを構築し、DNAナノ構造やDNA塩基配列とマイクロサイズのゲルの物性(粘弾性等)の関係を探るとともに、液-液相分離現象とマイクロ流体デバイスを利用した均一サイズのDNAマイクロゲルを構築する技術の開発に成功している。光刺激によってDNAゲルの相転移を制御する技術の構築にも成功した。また、ポリメラーゼやヘリカーゼ等の核酸酵素によってDNA液滴の分裂・複製等の動的な挙動が付与できることを示し、酵素濃度やDNA液滴サイズに依存した、動的な物性について数理モデルを作り、実験と比較して、そのメカニズムの解明にあたっている。
また、従来、GUV形成法には多様な方法が提案され研究されてきたが、脂質二重膜の形成効率や内封物質の封入率、またプロセス全体の再現性に様々な課題あった。分担者・鈴木は、GUV形成効率と再現性を飛躍的に向上させた技術ができたことで、細胞内、核内でのゲノムの挙動を物理的にシミュレーションするための基盤が得られた。また、これらの技術を利用し、研究代表者・瀧ノ上と分担者・鈴木は、協力して「研究実績の概要」にも示したような、リポソーム内でのDNAゲルの制御が実現しつつあり、DNAナノテクノロジーを利用した、メゾ・マイクロサイズ(細胞核サイズ)のDNA集合体の物性研究が順調に進んでいる。さらに、DNA液滴をmiRNAセンシング・コンピューティングへ応用する技術などの開発にも成功し、新たな展開も見えてきている。

Strategy for Future Research Activity

代表者・瀧ノ上は、これまでの基礎技術を発展させ、DNA液滴等のメゾ・マイクロスケールのDNA集合体の化学エネルギー(ATP等)や酵素存在下での動的物性についてさらに検証し、物理メカニズムを探求する。また、それらを応用した人工細胞核の構築にも着手する。分担者・鈴木は、マイクロ流路による均一GUV生成技術を用い、(1)混雑環境が遺伝子発現に与える影響の解析、および(2)DNA凝集たんぱく質がDNAのコンフォメーションに与える影響、について詳細な検討を行う。また、必要に応じ、本技術を領域内の他の研究グループに提供する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(37 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 5 results) Remarks (4 results)

  • [Int'l Joint Research] Radboud大学(オランダ)

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  • [Int'l Joint Research] Ecole normale superieure, Paris(フランス)

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  • [Journal Article] “Plug-and-Play Microfluidic Production of Monodisperse Giant Unilamellar Vesicles Using Droplet Transfer across Water-Oil Interface”2022

    • Author(s)
      R. Ushiyama, K. Koiwai, H. Suzuki
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 355 Pages: 131281-131281

    • DOI

      10.1016/j.snb.2021.131281

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] “Capsule-like DNA hydrogels with patterns formed by lateral phase separation of DNA nanostructures”2021

    • Author(s)
      Yusuke Sato, *Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      JACS Au

      Volume: Vol.2 Pages: 159-168

    • DOI

      10.1021/jacsau.1c00450

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] “Aqueous triple-phase system in microwell array for generating uniform-sized DNA hydrogel particles”2021

    • Author(s)
      Marcos Kunihiro Masukawa, Yukiko Okuda, *Masahiro Takinoue
    • Journal Title

      Frontiers in Genetics

      Volume: Vol.12 Pages: 705022-705022

    • DOI

      10.3389/fgene.2021.705022

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] “Sizing of Giant Unilamellar Vesicles Using a Metal Mesh with a High Opening Ratio”2021

    • Author(s)
      K. Shinohara, T. Okita, M. Tsugane, T. Kondo, H. Suzuki
    • Journal Title

      Chemistry and Physics of Lipids

      Volume: 241 Pages: 105148-105148

    • DOI

      10.1016/j.chemphyslip.2021.105148

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pattern Regulation of DNA Hydrogels Formed by Lateral Phase Separation of DNA Nanostructures on Water-in-Oil Droplet Interfaces2021

    • Author(s)
      Sato Yusuke、Takinoue Masahiro
    • Journal Title

      Chemrxiv

      Volume: -- Pages: 1-33

    • DOI

      10.26434/chemrxiv.14245532.v1

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    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] “DNA nanotechnology for soft micromachines and molecular robots”2022

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      AROB 27th 2022, ISBC7, SWARM5
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “バイオソフトマターの応用物理による細胞模倣型分子ロボット”2022

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      応用物理学会・有機バイオエレクトロニクス分科会1月研究会
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    • Invited
  • [Presentation] “DNA droplet technology for novel soft micromachines and molecular robots”2021

    • Author(s)
      Masahiro Takinoue
    • Organizer
      NANO Korea 2021
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] “人工細胞核を目指したDNAナノ構造の自己集合によるDNA液滴の相分離技術”2021

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] “バイオソフトマター物理による分子ロボティクスの創成”2021

    • Author(s)
      瀧ノ上正浩
    • Organizer
      CHEMINAS 43
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    • Invited
  • [Presentation] “Controlled division of DNA-droplet-based artificial cells coupled with enzymatic reaction cascade”2021

    • Author(s)
      Tomoya Maruyama, Akihiro Yamamoto, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 25nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] “DNA computing droplet to detect miRNAs for cancer diagnosis”2021

    • Author(s)
      Jing Gong, Nozomi Tsumura, Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 25nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] “Assembly and purification of DNA structures in aqueous-aqueous two-phase emulsion”2021

    • Author(s)
      Marcos Masukawa, Yukiko Okuda, Fujio Yu, Yusuke Sato, Kanta Tsumoto, Kenichi Yoshikawa, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 25nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] “DNA computing droplets for cancer diagnosis based on identifying biomarker miRNAs”2021

    • Author(s)
      Jing Gong, Nozomi Tsumura, Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 27nd International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA27)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] “Purification of DNA nano/microstructures by aqueous two-phase system”2021

    • Author(s)
      Marcos Masukawa, Fujio Yu, Yusuke Sato, Kanda Tsumoto, Kenichi Yosikawa, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 27nd International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA27)
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  • [Presentation] “Division phase control of artificial liquid DNA droplet by time-delay reaction”2021

    • Author(s)
      丸山智也, 山本陽大, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      『細胞を創る』研究会14.0
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  • [Presentation] “多段階酵素反応によるDNA液滴ベース人工細胞の分裂制御“2021

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      丸山智也, 山本陽大, 瀧ノ上正浩
    • Organizer
      第59回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] “Aptamer functionalized DNA hydrogels for drug delivery”2021

    • Author(s)
      ing Gong, Shinichiro M. Nomura, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第4回分子ロボティクス年次大会
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  • [Presentation] “DNA computing droplet-based sensing system for the detection of miRNAs”2021

    • Author(s)
      Jing Gong, Nozomi Tsumura, Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回研究会 (Cheminas44)
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  • [Presentation] “Cancer diagnosis based on identifying miRNAs with DNA computing droplets”2021

    • Author(s)
      Jing Gong, Nozomi Tsumura, Yusuke Sato, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] “光制御が可能なDNA自己集積体の動的な相転移操作“2021

    • Author(s)
      鵜殿 寛岳,野村M. 慎一郎,瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回
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  • [Presentation] ‘Formation and numerical investigation of liquid-liquid phase separation droplets based on artificial RNA nanostructures’2021

    • Author(s)
      Fan Minzhi, Hirohide Saito, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第5回分子ロボティクス年次大会
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  • [Presentation] ‘Formation and numerical investigation of liquid-liquid phase separation droplets based on artificial RNA nanostructures’2021

    • Author(s)
      Fan Minzhi, Hirohide Saito, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] “3D DNA nanostructure-based string-like structure for the construction of chromatin-like heterogeneous system”2021

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      Chai Hong Xuan, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      第59回 日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] “DNA-polymer emulsions: self-assembly and purification of DNA structures”2021

    • Author(s)
      Marcos Masukawa, Fujio Yu, Yusuke Sato, Kanta Tsumoto, Kenichi Yoshikawa, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
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  • [Presentation] “Purification of DNA nano/microstructures by aqueous-aqueous two-phase system fractionation”2021

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      Marcos Masukawa, Fujio Yu , Yusuke Sato , Kanta Tsumoto, Kenichi Yoshikawa, Masahiro Takinoue
    • Organizer
      CHEMINAS 43
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  • [Presentation] Efficient Production of Monodisperse Giant Unilamellar Vesicles by Transferring across the W-O Interface2021

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  • [Presentation] DNA structures inside aqueous-aqueous emulsions -assembly, purification and folding2020

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      Marcos Masukawa, Masahiro Takinoue
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      鵜殿寛岳,瀧ノ上正浩
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  • [Presentation] 水性二相分離液滴界面へのDNAナノプレートの局在2020

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      茶野 真由美,Marcos Masukawa,湊元 幹太,吉川 研一,瀧ノ上 正浩
    • Organizer
      第7回サイボウニクス研究会
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  • [Remarks] 瀧ノ上研究室

    • URL

      http://takinoue-lab.jp/

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  • [Remarks] 鈴木研究室

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      https://nanobio.r.chuo-u.ac.jp/

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  • [Remarks] 瀧ノ上研究室ホームページ

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      http://takinoue-lab.jp/

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  • [Remarks] 鈴木研究室ホームページ

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      http://www.mech.chuo-u.ac.jp/~suzukilab/

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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