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DNA反応拡散系による階層的なパターンの形成と制御および形態形成への発展

研究課題

研究課題/領域番号 19J20990
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
審査区分 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関東北大学

研究代表者

安部 桂太  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2021年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2019年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードDNAナノエンジニアリング / 分子ロボティクス / DNAコンピューティング / パターン形成 / ハイドロゲル / 分子サイバネティクス
研究開始時の研究の概要

パターン形成とは自律的に規則的な模様が現れる現象である.生物の発生過程では複雑なパターン階層的に形成され,生物の体を形作る過程(形態形成)に重要な役割を果たしていることが知られている.本研究ではハイドロゲル中に反応拡散系を構築し,人工的に階層的なパターン形成を行う手法を開発するとともにそのパターンを基とする形態形成の実現を目指す.材料として,反応のプログラムが可能な合成DNAを使用し,DNAによる多段階的な分子計算や拡散の速さが違うDNAとの相互作用をプログラムすることで階層的なパターン形成を実現する.さらに,ハイドロゲルの架橋とDNAの反応を関連付けることで形態形成を実現する.

研究実績の概要

本研究はDNAの相互作用により反応拡散系を構築し,階層的なパターン形成を実現させること,そして形成させたDNAの濃度勾配パターンを形態形成に発展させ,パターン形状に応じたハイドロゲルを構築することで自己組織化による人工物の作製方法を確立することを目的としている.申請時の計画では,本年度は2年目までに構築したパターン形成技術を発展させた形態形成技術の開発を予定していた.
本年度は前年度報告時点で確立したパターン形成の手法を用いた実験結果を整理し,さらにシミュレーション結果と比較した.その成果は現在学術論文としてRoyal Society of Chemistryが企画する雑誌Soft Matterへ投稿し,現在オープンアクセス論文として公開されている.また,この成果に関して複数の国際学会で報告し,研究の発展へ向けた情報収集と意見交換を行った.
さらに,目標としていた形態形成手法への発展のため実験系,材料,ゲル化や拡散制御の手法等のさらなる検討とシミュレーション・実験を重ねた.結果として,拡散の制御やDNAハイドロゲルといった既存の技術との組み合わせによる発展の可能性を調査するとともに,その実証に必要な新たな検証を可能にする実験系を構築することに成功した.
よって本年度は,目標としていた形態形成技術の実現はかなわなかったものの,これまでの実験結果を広く周知して情報交換と新たな手法の検討に尽力し,形態形成技術へと発展させるうえで有用となりうる研究成果が得られた.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Cascaded pattern formation in hydrogel medium using the polymerisation approach2021

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 25 号: 25 ページ: 6160-6167

    • DOI

      10.1039/d1sm00296a

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 大学の枠を越えたオンライン生体分子デザインコンペティションの取り組み2021

    • 著者名/発表者名
      MURATA Satoshi、KUZUYA Akinori、FUJIWARA Kei、TAIRA Junichi、KAWAMATA Ibuki、SATO Yusuke、TAKINOUE Masahiro、M. NOMURA Shin-ichiro、KAKUGO Akira、HORI Yutaka、ABE Keita
    • 雑誌名

      工学教育

      巻: 69 号: 4 ページ: 4_31-4_39

    • DOI

      10.4307/jsee.69.4_31

    • NAID

      130008070459

    • ISSN
      1341-2167, 1881-0764
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Programming Methods for DNA-Based Reaction-Diffusion Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Satoshi Murata
    • 雑誌名

      New Generation Computing

      巻: 38 号: 2 ページ: 379-393

    • DOI

      10.1007/s00354-020-00094-z

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Programming methods for DNA based reaction-diffusion systems (Tutorial Paper), New Generation computing2020

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Murata Satoshi
    • 雑誌名

      New Generation computing

      巻: 未定(受理済み)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] DNA 反応拡散系によりゲル媒質中にパターンを形成するシステムの開発とその発展2019

    • 著者名/発表者名
      安部桂太
    • 雑誌名

      計測と制御

      巻: 58 ページ: 816-816

    • NAID

      130007732501

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Cascaded pattern formation in DNA based Reaction-diffusion system2021

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata
    • 学会等名
      FNANO 2021: the 18th Annual Conference on the Foundations of Nanoscience
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cascaded Pattern Formation in DNA-based Reaction-Diffusion System2021

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata
    • 学会等名
      27th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DNA-based reaction-diffusion system for cascaded pattern formation2021

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Satoshi Murata and Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 合成DNAによる反応拡散系のプログラムを用いたハイドロゲル中でのパターン形成2020

    • 著者名/発表者名
      安部桂太
    • 学会等名
      第3回 非線形科学オンライン研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] DNAの重合反応を応用した反応拡散系のプログラムによるハイドロゲル中でのパターン形成2020

    • 著者名/発表者名
      安部桂太
    • 学会等名
      SICE分子ロボティクス研究会第2回オンライン定例研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] DNA反応拡散系におけるパターン形成のカスケード化2020

    • 著者名/発表者名
      安部桂太,村田智,川又生吹
    • 学会等名
      第4回分子ロボティクス年次大会(併催分子ロボット倫理シンポジウム)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Cascaded Pattern Formation in Hydrogel using Reaction-Diffusion System2020

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      26th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DNAの重合反応を用いた反応拡散系におけるパターン形成2020

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura and Satoshi Murata
    • 学会等名
      第3回分子ロボティクス年次大会(開催予定だったが,中止)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Programmable DNA reaction-diffusion system for a Voronoi pattern formation in hydrogel2019

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura and Satoshi Murata
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Programmable DNA reaction-diffusion system for a Voronoi pattern formation in hydrogel2019

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura and Satoshi Murata
    • 学会等名
      CBI学会2019年大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 合成DNAを用いて構築した反応拡散系によるパターン形成2019

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura and Satoshi Murata
    • 学会等名
      第29回非線形系反応と協同現象研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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