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2023 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)
上杉 薫  茨城大学, 理工学研究科(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」を実現する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、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ており、これの最適化を行った。具体的には、DNA末端で再構築したスプリット発光タンパクからのエネルギーを、DNAに配列化した蛍光分子間のエネルギ移動を介して伝送していく系を構築すると共に、DNAに結合した蛍光染色試薬をメディエーターとして活用することで20 nm程度まで長距離伝送することに成功した。加えて、リポソーム膜に電荷的にDNAオリガミ構造体を結合する条件を確立し、溶液の浸透圧変化に応答したリポソーム変形を実現した。
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のための条件検討を行った。
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した。また、併せてシステム全体を最適化するための改良も行った。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した。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も行った。

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

DNAオリガミの結合にともなうリポソーム変形機構の開発に成功し、当初の目標であった「DNA分子情報をトリガーとしたリポソームの変形誘導」の達成にめどがたった。

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開発したDNA足場多色生物発光素子の最適化を完了する。具体的には、リポソーム膜を介した光エネルギー伝送系を構築し、リポソーム内外の状態変化に応じて、リポソーム膜を超えて光信号で情報伝達するシステムを確立する。加えて、リポソーム膜に結合したDNAオリガミによる変形誘導の系についても、分子信号による制御を試みると共に、その機構の解明を行う。
瀧口は引き続き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。またアクチン線維を封入したリポソームの膜の力学測定についてもデータをまとめる。
上杉は特にマイクロ流体デバイスシステムの改良を継続し、圧力や流量を精密に制御できるシステムを完成させる。並行して、領域内で使用される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

    (28件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (4件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] From Molecular Robotics to Molecular Cybernetics: The First Step Toward Chemical Artificial Intelligence2023

    • 著者名/発表者名
      Kuzuya Akinori、Nomura Shin-Ichiro M.、Toyota Taro、Nakakuki Takashi、Murata Satoshi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications

      巻: 9 ページ: 354~363

    • DOI

      10.1109/TMBMC.2023.3304243

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] リポソーム膜へのDNA Origami結合による変形誘導2024

    • 著者名/発表者名
      川合充佳乃, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [学会発表] DNA足場多色生物発光素子を用いたディスプレイデバイスの開発2024

    • 著者名/発表者名
      乾俊輝, 高野史章, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス年次大会
  • [学会発表] 向きの揃った膜貫通DNAユニットのその場合成2024

    • 著者名/発表者名
      武原春奈, 西田琢臣, 葛谷明紀
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会(2024)
  • [学会発表] スプリット発光タンパク質を分子内単分子励起光源としたマルチステップ分子内エネルギー移動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
      第69回高分子研究発表会(神戸)
  • [学会発表] Efficient DNA-Scaffolded Intramolecular Energy Transmission utilizing Split Luciferase as Single- Molecular Energy Source2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Fumiaki Takano, Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] DNA-Scaffolded Bioluminescence Energy Transfer System (dsBRET) for Precisely Controlled Multi-Color Bioluminescence2023

    • 著者名/発表者名
      Akinori Kuzuya, Fumiaki Takano, Yuki Minamide, Shiori Tabana, Tomoya Niki, Koichi Tanimoto
    • 学会等名
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] DNA に固定した発光タンパク質を分子内単分子励起光源とするエネルギー伝送系の構築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
      第33回バイオ・高分子シンポジウム
  • [学会発表] DNA分子情報による生物発光の精密制御2023

    • 著者名/発表者名
      高野史章, 南出悠貴, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第33回バイオ・高分子シンポジウム
  • [学会発表] DNAを足場とした長距離光エネルギー伝送系の構築2023

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] Manipulation of Bioluminescence with DNA2023

    • 著者名/発表者名
      Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Precise Control of Bioluminescence Energy Transfer with DNA2023

    • 著者名/発表者名
      Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      The 10th International Conference on DNA Nanotechnology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Precise Control of Bioluminescence Resonance Energy Transfer with DNA2023

    • 著者名/発表者名
      Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • 国際学会
  • [学会発表] DNAを足場とした生物発光エネルギー伝送系の構築2023

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 高野史章, 谷本晃一, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第72回高分子討論会
  • [学会発表] DNA末端における再構成型BRETシステムを応用した光エネルギー伝送路の開発2023

    • 著者名/発表者名
      南出悠貴, 谷本晃一, 高野史章, 仁木智哉, 田花汐理, 葛谷明紀
    • 学会等名
      第13回CSJ化学フェスタ2023
  • [学会発表] Long-range energy transfer using DNA-scaffolded BRET system2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      CBI学会2023年大会
  • [学会発表] Construction of DNA-Scaffolded Long-Range Intramolecular Energy Transmission System2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Minamide, Koichi Tanimoto, Fumiaki Takano, Tomoya Niki, Shiori Tabana, Akinori Kuzuya
    • 学会等名
      The 50th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry(ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [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するアクチン封入の影響2023

    • 著者名/発表者名
      別所 賢、菊本 真人、水谷 友紀、伊藤 萌香、瀧口 金吾
    • 学会等名
      「細胞を創る」研究会 16.0
  • [学会発表] 浸透圧ストレス下における脂質二重膜小胞の挙動に対するアクチン封入の影響2023

    • 著者名/発表者名
      別所 賢, 菊本 真人, 水谷 友紀, 伊藤 萌香, 瀧口 金吾
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会
  • [学会発表] リポソームの膜張力評価を目指したマイクロ流体システムの開発2023

    • 著者名/発表者名
      柏木悠里, 豊田太郎, 長山和亮, 上杉薫
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会2023
  • [学会発表] マイクロピペット吸引法を用いた膜組成の異なるリポソームの機械的特性評価2023

    • 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 M&M2023 材料力学カンファレンス
  • [学会発表] 分子ロボットへの応用を目指した,マイクロ流体デバイスによるリポソームの機械的特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      上杉 薫, 柏木 悠里, 豊田 太郎, 長山 和亮
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
  • [学会発表] Simultaneously evaluation of mechanical properties for multiple liposomes with a microfluidic device constructed rectangular-shaped funnel channels2023

    • 著者名/発表者名
      Kaoru Uesugi, Taro Toyota and Kazuaki Nagayama
    • 学会等名
      The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
    • 国際学会
  • [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] 研究者総覧 瀧口金吾

    • URL

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

  • [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/

  • [産業財産権] エネルギー伝送路として利用可能な複合物質2023

    • 発明者名
      葛谷明紀, 南出悠貴
    • 権利者名
      関西大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2023-131184

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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