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光制御型DNAナノマシンの開発

研究課題

研究課題/領域番号 10J05017
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 生体生命情報学
研究機関大阪大学

研究代表者

西村 隆宏  大阪大学, 大学院・情報科学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2010 – 2012
研究課題ステータス 完了 (2012年度)
配分額 *注記
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2012年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワード分子ナノマシン / DNAナノマシン / DNAナノテクノロジー / DNA論理回路 / 光制御型DNAナノマシン
研究概要

本研究では,光技術とDNAナノ技術を利用し,センシング,情報処理、アクチュエータ機能を備えた光制御型DNAナノマシンの実装手法の開発を行った.DNAの分子認識能と自律的反応は,ナノスケール領域で生体分子に関する情報を取り扱う際に有用である.また,光と物質との相互作用の利用により,非侵襲かつ遠隔的に外界とプロセッサの情報通信が可能となる.
光制御型DNAナノマシンの実装には,センシング,演算,出力の一連の動作をナノスケールで実現することが求められる.実現のための要素技術として,分子センサ機能の光制御手法とDNA構造変化を利用した状態遷移表現を検討した.その上で,光信号のタイミングに従って,DNAフラグメントを検知し,特定のフラグメントの有無を判断し,その結果を蛍光信号として出力するナノマシンを提案した.実験により,光制御型DNAナノマシンの基本動作を確認し,光とDNAを利用してセンサ・演算・アクチュエータの一連の動作が実装できることを示した.
演算機能の拡張手法として,蛍光共鳴エネルギー移動(Fluroescence Resonance Energy Transfer,FRET)による信号処理を導入したDNA論理回路の構成手法を提案する.この手法をDNA足場論理と呼ぶ.入力分子情報に従って,足場となるDNA上の蛍光分子の配置を制御し,FRETによるシグナル伝達を切り替えて演算結果を得る.NOT,AND,OR演算を含む論理回路の動作を実証実験により確認した.乗法標準形で表された演算を処理可能であることから,任意の論理演算が実装可能であることを示した.
DNA足場論理においてメモリ機能を実現するために,FRET回路に組み込み可能なセット/リセットフリップフロップを検討した.蛍光分子の光制御によるFRETの変調を利用し,状態に応じてFRETのオン/オフを切り替えるフリップフロップを実装した.繰り返し遷移や状態保持可能であることを示した.

報告書

(3件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 2010 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2013 2012 2011 2010 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] A nanoscale set-reset flip-flop in fluorescence resonance energy transfer-based circuits2013

    • 著者名/発表者名
      T. Nishimura, Y. Ogura, and J. Tanida
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 6 号: 1 ページ: 15201-15201

    • DOI

      10.7567/apex.6.015201

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Keusable molecular sensor based on photonic activation control of DNA probes2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nishimura, Y. Ogura, and J. Tanida
    • 雑誌名

      Biomedical Optics Express

      巻: 3 ページ: 920-926

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fluorescence resonance energy transfer-based molecular logic circuit using a DNA scaffold2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nishimura, Y. Ogura, and J. Tanida
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 101 号: 23 ページ: 233703-233703

    • DOI

      10.1063/1.4769812

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optofluidic DNA computation based on optically manipulated microdroplets2012

    • 著者名/発表者名
      T.Nishimura, Y.Ogura, J.Tanida
    • 雑誌名

      Microfluidics and Nanofluidics

      巻: Vol. 13 号: 1 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1007/s10404-012-0934-6

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatially parallel control of DNA reactions in optically manipulated micro-droplets

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ogura, Takahiro Nishimura, Jun Tanida
    • 雑誌名

      Journal of Nanophotonics

      巻: (掲載確定)

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] DNA logic circuit using fluorescence resonance energy transfer for signal cascade2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nishimura, Y. Ogura, H. Yamamoto, K. Yamada, and J. Tanida
    • 学会等名
      18th international Conference on DNA Computing and Molecular programming
    • 発表場所
      Aarhus, Denmark
    • 年月日
      2012-08-14
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光共鳴エネルギー移動を利用した分子入力・光出力論理回路の実装2012

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 山本裕紹, 山田憲嗣, 谷田純
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012-03-16
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光共鳴エネルギー移動を利用したスキャフォールドDNA論理演算2011

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 山本裕紹, 山田憲嗣, 谷田純
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2011-11-29
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Bio-molecular sensing by use of DNA that can be activated and reset via photonic signals2011

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 山本裕紹, 山田憲嗣, 谷田純
    • 学会等名
      第49回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      兵庫
    • 年月日
      2011-09-21
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] A photonic DNA processor : concept and implementation2011

    • 著者名/発表者名
      T.Nishimura, Y.Ogura, K.Yamada, H.Yamamoto, J.Tanida
    • 学会等名
      SPIE NanoScience+Engineering
    • 発表場所
      San Diego(アメリカ合衆国)(招待講演)
    • 年月日
      2011-08-23
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Prototype demonstration of a photonic DNA processor : a photonically-controlled DNA nanomachine of sensing, computing, and actuating2011

    • 著者名/発表者名
      T.Nishimura, Y.Ogura, K.Yamada, H.Yamamoto, J.Tanida
    • 学会等名
      The 7th Annual Conference on Foundations of Nanoscience
    • 発表場所
      Snowbird(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2011-04-14
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 分子センサ機能を有する光制御型DNAナノマシン2011

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 山田憲嗣, 山本裕紹, 谷田純
    • 学会等名
      第58回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(神奈川)
    • 年月日
      2011-03-27
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 分子センサ機能を有する光制御型DNAナノマシン2010

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 山田憲嗣, 山本裕紹, 谷田純
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2010
    • 発表場所
      駿河台記念会館(東京都)
    • 年月日
      2010-11-10
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Photoregulating Activation of Functionality in Molecular Recognition of DNA2010

    • 著者名/発表者名
      西村隆宏, 小倉裕介, 谷田純
    • 学会等名
      第48回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      東北大学川内キャンパス(宮城)
    • 年月日
      2010-09-21
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Nanoscale logic operation in optically manipulated micro-droplets2010

    • 著者名/発表者名
      Y.Ogura, T.Nishimura, J.Tanida
    • 学会等名
      SPIE Optics & Photonics 2010
    • 発表場所
      San Diego, CA, USA(Invited)
    • 年月日
      2010-08-03
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書

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公開日: 2010-12-03   更新日: 2024-03-26  

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