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2022 年度 実績報告書

ミニマル人工脳のための分子アクチュエーションシステムの開発

計画研究

研究領域分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築
研究課題/領域番号 20H05972
研究機関関西大学

研究代表者

葛谷 明紀  関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00456154)

研究分担者 瀧口 金吾  名古屋大学, 理学研究科, 講師 (20262842)
コビル アリフ  北海道大学, 理学研究院, 特任講師 (10724867)
上杉 薫  茨城大学, 応用理工学野, 助教 (20737027)
研究期間 (年度) 2020-11-19 – 2025-03-31
キーワード分子モーター / DNA / 化学エネルギー / リポソーム
研究実績の概要

本研究ではミニマル人工脳を構成する3種のニューロイド(人工細胞リポソーム)のうち、「変形」およびその結果としての「他SPAユニットとの二次的接続」を担うアクチュエータニューロイド(Aユニット)の構築を行い、SPAユニットネットワークの「展開」を実現ことを目的としている。
葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として、当初より計画していたリポソーム変形にかわる別の手段として、DNAの分子情報によって制御された生物発光を利用する系を開発した。具体的には、スプリット発光タンパクをDNA鎖の末端で再構築し、別途蛍光色素を導入した相補DNAをハイブリダイゼーションさせることにより、発光タンパクと蛍光色素との間で非常に効率良く生物発光エネルギー移動(BRET)を誘導できることを見いだした。化学合成DNAへの蛍光色素の標識は数や種類を自在に選べるため、BRETに加えてフェルスター共鳴エネルギー移動も組み合わせることで、発光タンパクからの青色発光を変調して鮮明な緑色発光や赤色発光を産み出すことに成功した。
瀧口は引き続き、アクチン封入リポソームの大変形を操作するための技術開発の一環として、アクチン線維のネマティック液晶形成における人工夾雑物(ビーズ)の共封入の効果の検証を行った。
コビルは「DNA修飾微小管/キネシンモーター系とDNAオリガミ構造体を組み合わせた分子人工筋肉」をリポソーム内に封入する条件の検討を行い、これを顕微鏡で可視化することに成功した。
上杉は、リポソームの力学特性を測定する系として、マイクロピペット吸引法システムおよびマイクロ流体デバイスシステムを構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

情報出力機構として、リポソームの変形に加えて、生物発光を利用する系も確立した。また、リポソームの力学特性の計測を行う環境も整った。

今後の研究の推進方策

葛谷はSPAユニットの演算結果の出力として、生物発光を利用する系の最適化を進める。具体的には、C班で開発された分子入力回数計数装置の出力結果を生物発光の色調変化に返還する分子回路を設計、最適化する。さらに、これをリポソーム内に封入して、閉鎖空間内で実行する系を構築する。加えて、リポソーム内にDNAオリガミ構造体を高濃度に封入する系を確立し、DNAオリガミ分子機械の機能をトリガーとしたリポソーム変形機構を開発する。
瀧口はSPA3連リポソーム配列用デバイスに捕捉した状態での、アクチン線維を封入したリポソームの変形の誘導およびその操作に挑戦する。また、前期公募班小嶋開発の装置および上杉先生の流路狭窄法やマイクロピペット吸引法の利用により、アクチン線維を封入したリポソームの膜の力学測定も併せて進めて行く。
上杉はマイクロピペット吸引法システムに関して、システムを半閉鎖系にし、試料の熱対流を抑えることを検討する。また、併せてシステム全体を最適化するための改良を行う。マイクロ流体デバイスシステムに関しては、より効率的に実験ができるよう流路を改良する。また、圧力や流量をより精密に制御できるようシステムの改良を行う。以上の改良を行った後、様々な組成のリポソームや、内部物質を添加したリポソームの機械的特性評価を行う。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (4件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Behavior of Biopolymers, Cytoskeleton, DNA, and Phospholipids, that Exert Self-organization, Shown in the Liquid-Liquid Phase Separation2023

    • 著者名/発表者名
      Kingo Takiguchi, Hiroki Sakuta, Masahito Hayashi, Tatsuyuki Waizumi, Kanta Tsumoto, Kenichi Yoshikawa
    • 雑誌名

      Seibutsu Butsuri

      巻: 63 ページ: 5~11

    • DOI

      10.2142/biophys.63.5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cooperative cargo transportation by a swarm of molecular machines2022

    • 著者名/発表者名
      Mousumi Akter, Jakia Jannat Keya, Kentaro Kayano, Arif Md. Rashedul Kabir, Daisuke Inoue, Henry Hess, Kazuki Sada, Akinori Kuzuya, Hiroyuki Asanuma, Akira Kakugo
    • 雑誌名

      Science Robotics

      巻: 7 ページ: eabm0677

    • DOI

      10.1126/scirobotics.abm0677

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular Cybernetics: Challenges toward Cellular Chemical Artificial Intelligence2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Murata, Taro Toyota, Shin‐ichiro M. Nomura, Takashi Nakakuki, Akinori Kuzuya
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 32 ページ: 2201866

    • DOI

      10.1002/adfm.202201866

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fluctuation in the Sliding Movement of Kinesin-Driven Microtubules Is Regulated Using the Deep-Sea Osmolyte Trimethylamine <i>N</i>-Oxide2022

    • 著者名/発表者名
      Kabir Arif Md. Rashedul, Munmun Tasrina, Sada Kazuki, Kakugo Akira
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 7 ページ: 18597~18604

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c01228

    • 査読あり
  • [学会発表] DNAを足場とした生物発光共鳴エネルギー移動システムの精密解析2023

    • 著者名/発表者名
      谷本晃一, 仁木智哉, 南出悠貴, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 発光タンパク質を分子内励起光源とした効率的な分子内エネルギー伝送2023

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 高野史章, 葛谷明紀
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会
  • [学会発表] 蛋白質によって生じる膜突起形成の巨大人工膜小胞(巨大リポソーム)を用いた直接観察2023

    • 著者名/発表者名
      瀧口金吾
    • 学会等名
      サントリー生有研セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] DNA上でのBRET/FRETを活用した多色発光システム2022

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第32回バイオ・高分子シンポジウム
  • [学会発表] DNAを足場に利用したマルチカラー生物発光素子の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
  • [学会発表] DNA Origami液中微細構造サブnm解析のためのBRETシステムの開発2022

    • 著者名/発表者名
      田花汐理, 南出悠貴, 高野史章, 仁木智哉, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
  • [学会発表] 鎖置換反応を利用したDNA足場BRETシステムの動的制御2022

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] 単分子励起光源を利用した分子内エネルギー移動2022

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] DNAを足場とした多色生物発光システムの動的制御2022

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会15.0
  • [学会発表] Long-range and multi-step intramolecular energy transfer by BRET/FRET system2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Minamide, Fumiaki Takano, Tanimoto Koichi, Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      CBI学会2022年大会
  • [学会発表] 鎖置換反応を活用したDNA足場生物発光素子の動的色調変換2022

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第6回分子ロボティクス年次大会
  • [学会発表] 発光タンパク質を分子内励起光源としたマルチステップ分子内エネルギー移動2022

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第6回分子ロボティクス年次大会
  • [学会発表] 分子ロボットの部材としてのDNA2022

    • 著者名/発表者名
      葛谷明紀
    • 学会等名
      CBI学会 第2回分子ロボット倫理研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜の挙動に対しF-actinが及ぼす影響2022

    • 著者名/発表者名
      別所賢, 伊藤萌香, 瀧口金吾
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会
  • [学会発表] 分子ロボット作製を目的とするマイクロピペット吸引法を適用したリポソームの機械的特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      清田匠,長山和亮,上杉薫
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス講演会2022
  • [学会発表] 分子ロボット開発を目的とするリポソームの機械的物性評価 ~マイクロピペット吸引法の安定性向上~2022

    • 著者名/発表者名
      清田匠,長山和亮,豊田太郎,上杉薫
    • 学会等名
      日本機械学会 2022年茨城講演会
  • [学会発表] 分子ロボット開発に最適な機械的特性を持つリポソームの機械的物性評価2022

    • 著者名/発表者名
      清田匠,豊田太郎,長山和亮,上杉薫
    • 学会等名
      日本機械学会 2022年度年次大会
  • [図書] Molecular Robotics, An Introduction2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Murata Ed.
    • 総ページ数
      296
    • 出版者
      Springer Singapore
    • ISBN
      978-981-19-3986-0
  • [備考] 学術変革領域研究(A)分子サイバネティクス

    • URL

      https://molcyber.org/

  • [備考] 関西大学 化学生命工学部 知能分子学研究室

    • URL

      https://wps.itc.kansai-u.ac.jp/mol-mach/

  • [備考] 茨城大学大学院 理工学研究科 機械システム工学専攻 上杉薫

    • URL

      http://uesugilab.mechsys.ibaraki.ac.jp/

  • [備考] 研究者総覧 瀧口金吾

    • URL

      https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100000929_ja.html

  • [産業財産権] 撹拌装置及び撹拌方法2022

    • 発明者名
      上杉薫
    • 権利者名
      茨城大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2022-193176

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公開日: 2024-12-25  

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