核酸ナノ構造を活用した多元分子情報変換デバイスの創成

2012 年度 実績報告書

• 研究領域: 感覚と知能を備えた分子ロボットの創成
• 研究課題/領域番号: 24104002
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 齊藤 博英 京都大学, 白眉センター, 准教授 (20423014)
• 研究分担者: 遠藤 政幸 京都大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (70335389) ; 鈴木 泰博 名古屋大学, 情報科学研究科, 准教授 (50292983) ; 瀧ノ上 正浩 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 講師 (20511249)
• 研究期間 (年度): 2012-06-28 – 2017-03-31
• キーワード: 分子ロボティクス / リポソーム / DNAナノ構造体 / RNA / 自律性 / 人工細胞モデル / 人工レセプター / 少数分子化学反応

研究概要

近年、核酸やタンパク質などの生体高分子を設計し、目的の機能構造体を作製する分子デザイン技術の開発が世界的に進展している。しかしながら、これらデザインした分子集合体をシステムとして組み上げ、様々な環境変動に応答して望みの動的挙動を実現する「分子ロボット」の創成には至っていない。本研究では、「感覚機能」を備えた分子ロボットを作製するため、様々な入力シグナルを1分子レベルで検知し、目的の内部情報へと自在に変換できる「多元分子情報変換デバイス」を構築することを目指す。
今年度は、齊藤・遠藤の共同研究により、RNAによるナノ構造構築と高解像度観察に成功し、構築した多元分子情報変換デバイスの構造情報を精度よく解析する仕組を構築することに成功した。遠藤は、分子ロボットのセンサーとなる人工レセプター構造体の構築を検討し、2つのドメインに分かれたDNAオリガミ構造体を設計し構築した。また、制御可能な転写系の構築を行った。さらに、プロモータ部位の一部を欠損した鋳型となるDNA鎖を合成し、欠損配列を導入すると、その結合によって転写を活性化できる系を構築した。また、瀧ノ上・齊藤の共同研究により、小分子・核酸・タンパク質・光・pHなどから核酸へ分子的に情報変換する反応系のデザインと、DNA/RNAナノ構造との連結に関してのシステムデザインが完了した。これにより、外部環境情報をセンシングする汎用的なメカニズムと情報変換に関して、目処が立った。鈴木は、ノイズ除去を行うための化学反応系の設計について、少数分子の非線形化学反応の特性を用いる方法とレセプターのリガンド結合様式を模した法を考案し、さらに、線形と線形の”間”に相当するメゾ非線形を提案した。また、他班との連携として、瀧ノ上・村田・野村らによって、DNAによるマイクロカプセルの開発が進展した。

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

当初研究計画に記載した、RNAによるナノ構造構築と高解像度観察に成功し（齊藤、遠藤）、小分子・光などから核酸への情報変換デバイスのデザイン（瀧ノ上、齊藤）や、ノイズ除去メカニズムの考案とシミュレーション（鈴木、瀧ノ上）に成功している。また、分子ロボットのセンサーの第一歩となる、人工レセプター構造体の構築も行い、転写活性化の制御法が開発できた（遠藤）。このように、班メンバー間の共同研究が進展しており、このまま研究を推進することで順調に研究計画を遂行することが可能である。

今後の研究の推進方策

次年度は共同研究をさらに推進し、目的に掲げた「感覚機能」を備えた分子ロボット作製のための基盤技術開発に挑む。
具体的には、光に応答するRNAナノ構造体の作製（齊藤、瀧ノ上）、DNAナノ構造体のリポソーム膜への埋め込み（遠藤、齊藤）、マイクロカプセル内での情報変換（瀧ノ上、齊藤）、分子ロボティクスのための理論・シミュレーション解析と実験との融合技術を開発する（鈴木、瀧ノ上）。また、人工レセプターにセンシング部位を導入し、検出対象に対してその応答を検討し、これらを脂質2重膜(ベシクル)に貫通させて導入して、その応答性と機能を検討する（遠藤）。さらに、ベシクル内での制御可能な転写・翻訳系の構築を行う（遠藤）。また、新学術領域の他班との連携として、自律運動するマイクロゲルロボットの構築（瀧ノ上、知能班・原）、DNAマイクロカプセルの構築（瀧ノ上、スライム班・村田、アメーバ班・野村）などを推進していく計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular Robotics: A New Paradigm for Artifacts (2013)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Murata, Akihiko Konagaya, Satoshi Kobayashi, Hirohide Saito, Masami Hagiya
  • 雑誌名: New Generation Computing 巻: 1 ページ: 27-45
  • DOI: 10.1007/s00354-012-0121-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Directed evolution of a synthetic RNA-protein module to create a new translational switch (2013)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Hara,*Hirohide Saito and *Tan Inoue
  • 雑誌名: Chemical Communications (Camb) 巻: 49(37) ページ: 3833-3835
  • DOI: 10.1039/c3cc38688k.
  • 査読あり
• [雑誌論文] RNA-templated DNA origami structures (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, S. Yamamoto, K. Tatsumi, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 49 ページ: 2879-2881
  • DOI: 10.1039/C3CC38804B
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct and real-time observation of rotary movement of a DNA nanomechanical device (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 135 ページ: 1117-1123
  • DOI: 10.1021/ja310454k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of the two-dimensional crystallization of DNA origami with various loop arrangements (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 49 ページ: 686-688
  • DOI: 10.1039/C2CC37257F
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA origami technology for biomaterials applications (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y. Yang, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Biomaterials Science 巻: 1 ページ: 347-360
  • DOI: 10.1039/c2bm00154c
  • 査読あり
• [雑誌論文] G-quadruplex nanostructures probed at the single molecular level by force-based methods (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Dhakal, H. Mao, A. Rajendran, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Guanine quartets: Structure and application 巻: 1 ページ: 73-85
  • DOI: 10.1039/9781849736954-00073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling “info-chemical” Mediated Ecological System by using Multi Agent System (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Sakai, Y. Suzuki
  • 雑誌名: Fifth International Conference on Agents and Artificial Intelligence, ICAART 巻: 1 ページ: 318-323
  • 査読あり
• [雑誌論文] Harness the Nature for Computation (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki
  • 雑誌名: Natural Computing and Beyond (Springer Verlag) 巻: 6 ページ: 47-70
  • 査読あり
• [雑誌論文] Feedback Control of Protein Expression in Mammalian Cells by Tunable Synthetic Translational Inhibition (2012)
  • 著者名/発表者名: James A. Stapleton, Kei Endo, Yoshihiko Fujita, Karin Hayashi, Masahiro Takinoue, *Hirohide Saito, and Tan Inoue
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 1(3) ページ: 83-88
  • DOI: 10.1021/sb200005w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensionally designed protein-responsive RNA devices for cell signaling regulation (2012)
  • 著者名/発表者名: Shunnichi Kashida, *Tan Inoue and *Hirohide Saito
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 40(18) ページ: 9369-9378
  • DOI: 10.1093/nar/gks668.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-controllable DNA Origami Nanostructures Assembling into Predesigned Multiorientational Patterns (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 ページ: 20645-20653
  • DOI: 10.1021/ja307785r
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Visualization of the Hybridization and Dissociation of Photoresponsive Oligonucleotides and Their Reversible Switching Behavior in a DNA Nanostructure (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, Y. Yang, Y. Suzuki, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 51 ページ: 10518-10522
  • DOI: 10.1002/anie.201205247
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Visualization of the Movement of a Single T7 RNA Polymerase and Transcription on a DNA Nanostructure (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, K. Tatsumi, K. Terushima, Y. Katsuda, K. Hidaka, Y. Harada, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 51 ページ: 8778-8782
  • DOI: 10.1002/anie.201201890
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and development of nano-sized DNA assemblies in polypod-like structures as efficient vehicle for immunostimulatory CpG motifs to immune cells (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Mohri, M. Nishikawa, N. Takahashi, N. Matsuoka, M. Endo, K. Hidaka, H. Sugiyama, Y. Takahashi, Y. Takakura
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 6 ページ: 5931-5940
  • DOI: 10.1021/nn300727j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sequence-Selective Single-Molecule Alkylation with a Pyrrole-Imidazole Polyamide Visualized in a DNA Nanoscaffold (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshidome, M. Endo, G. Kashiwazaki, K. Hidaka, T. Bando, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 ページ: 4654-4660
  • DOI: 10.1021/ja209023u
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transcription Regulation System Mediated by Mechanical Operation of DNA Nanostructure (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, R. Miyazaki, T. Emura, K. Hidaka, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 134 ページ: 2852-2855
  • DOI: 10.1021/ja2074856
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and Functional Analysis of Proteins by High-Speed Atomic Force Microscopy (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Advances in Protein Chemistry and Structural Biology 巻: 87 ページ: 5-55
  • DOI: 10.1016/B978-0-12-398312-1.00002-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] A DNA-based molecular motor that can navigate a network of tracks (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Wickham, J. Bath, Y. Katsuda, M. Endo, K. Hidaka , H. Sugiyama, A. J. Turberfield
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 7 ページ: 169-173
  • DOI: 10.1038/NNANO.2011.253
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zinc finger proteins as the adaptor for locating proteins at specific addresses of DNA origami (2012)
  • 著者名/発表者名: E. Nakata, L. F. Fong, C. Uwatoko, S. Kiyonaka, Y. Mori, Y. Katsuda, M. Endo, H. Sugiyama, T. Morii
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 51 ページ: 2421-2424
  • DOI: 10.1002/anie.201108199
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Analysis Using DNA Origami (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Angewandte Chemie, International Edition 巻: 51 ページ: 874-890
  • DOI: 10.1002/anie.201102113
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA Origami: Synthesis and Self-Assembly (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Rajendran, M. Endo, H. Sugiyama
  • 雑誌名: Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry 巻: 48 ページ: 12.9.1-12.9.18
  • DOI: 10.1002/0471142700.nc1209s48
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integrated Clinical, Pathologic, Virologic, and Transcriptomic Analysis of H5N1 Influenza Virus-Induced Viral Pneumonia in the Rhesus Macaque (2012)
  • 著者名/発表者名: Shinya K, Gao Y, Cilloniz C, Suzuki Y, Fujie M, Deng G, Zhu Q, Fan S, Makino A, Muramoto Y, Fukuyama S, Tamura D, Noda T, Eisfeld AJ, Katze, MG, Chen H, Kawaoka Y
  • 雑誌名: Journal of Virology 巻: 86 ページ: 6055-6066
  • DOI: 10.1128/JVI.00365-12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Honey Bee Optimization Based on Mimicry of Threshold Regulation in Honey Bee Foraging (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Furukawa, Y.Suzuki
  • 雑誌名: Smart Innovation, systems and technologies 巻: 14 ページ: 307-316
  • DOI: 10.1007/978-3-642-29934-6_30
  • 査読あり
• [雑誌論文] 蜜蜂の蜜源選択における閾値調整機能を模した 最適化アルゴリズム (2012)
  • 著者名/発表者名: 古川まき, 鈴木泰博
  • 雑誌名: 日本知能情報ファジー学会誌 巻: 24 ページ: 1090-1103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Behaviors of Chemical Reactions with Small Number of Molecules (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Suzuki
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: 5777 ページ: 394-401
  • 査読あり
• [学会発表] Synthetic RNA-protein complexes to control mammalian cell fate (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: The First Annual Winter q-bio Meeting
  • 発表場所: Hilton Hawaiian Village in Waikiki （U.S.A.）
  • 年月日: 20130218-20130223
• [学会発表] Nano/micro-technologies for the Construction of Non-equilibrium Artificial Cell Models (2013)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Takinoue
  • 学会等名: French-Japanese Seminar on “Bioinspired Methods and Applications”
  • 発表場所: 東京大学生産技術研究所（東京都）
  • 年月日: 20130204-20130206
  • 招待講演
• [学会発表] Logic Gate Using Artificial Cell-membrane: NAND Operation By Transmembrane DNA Via A Biological Nanopore (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Yasuga, et al.
  • 学会等名: The 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2013)
  • 発表場所: Taipei International Convention Center（台北，台湾）
  • 年月日: 20130120-20130124
• [学会発表] 光応答性のあるDNA マイクロカプセルの構築 (2012)
  • 著者名/発表者名: 津金澤裕一，他
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会5.0
  • 発表場所: 東京工業大学すずかけ台ｷｬﾝﾊﾟｽ（神奈川県）
  • 年月日: 20121121-20121122
• [学会発表] Biomolecular Rocket (2012)
  • 著者名/発表者名: 星健介，他
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会5.0
  • 発表場所: 東京工業大学すずかけ台ｷｬﾝﾊﾟｽ（神奈川県）
  • 年月日: 20121121-20121122
• [学会発表] Biomolecular Rocket (2012)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Hoshi, et al.
  • 学会等名: International Biomolecular Design Competition (BIOMOD)
  • 発表場所: Harvard University（U.S.A.）
  • 年月日: 20121103-20121104
• [学会発表] 人工RNAシステムを活用した遺伝子操作・細胞運命制御技術体系の創出
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英、遠藤 慧
  • 学会等名: 第14回日本RNA学会年会
  • 発表場所: 東北大学百周年記念会館 川内萩ホール（宮城県）
• [学会発表] 分子ロボティクスにおける感覚機能の実装にむけて
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 生命医薬情報学連合大会
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
• [学会発表] 細胞内シグナル回路をデザインするＲＮＡテクノロジー
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 第5回北陸合同バイオ若手シンポジウム
  • 発表場所: 福井県民ホール（福井県）
  • 招待講演
• [学会発表] 人工RNAスイッチによる自律的な細胞運命制御システムの構築に向けて
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 定量生物学の会 第5回年会
  • 発表場所: 東京大学（東京都）
  • 招待講演
• [学会発表] Synthetic RNA-Protein Complexes for Controlling Cell Signaling
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 生体機能関連部会国際シンポジウム
  • 発表場所: 東京工業大学蔵前会館（東京都）
  • 招待講演
• [学会発表] 〔第10回日本分子生物学会三菱化学奨励賞受賞講演〕機能性RNAの分子デザインによる翻訳・細胞運命制御システム構築の研究
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 第35回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県）
  • 招待講演
• [学会発表] RNA-たんぱく質複合体を用いたナノバイオエンジニアリング
  • 著者名/発表者名: 齊藤 博英
  • 学会等名: 精密工学会 超精密加工専門委員会 第65回研究会
  • 発表場所: メルパルク大阪（大阪府）
  • 招待講演
• [学会発表] Direct observation of RNA polymerase and transcription in the designed DNA nanostructure
  • 著者名/発表者名: M. Endo, K. Tatsumi, K. Terushima , Y. Katsuda, K. Hidaka, Y. Harada, H. Sugiyama
  • 学会等名: The 39th International Symposium on Nucleic Acid Chemistry
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県）
• [学会発表] DNA Molecular Technology for Imaging and Biological Applications
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: 6th Annual Symposium on Nanobiotechnology, Kyoto Cell-Material Integration 2012
  • 発表場所: 京都大学(京都府)
  • 招待講演
• [学会発表] DNA分子テクノロジーの材料化への応用
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: バイオテンプレート研究会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 招待講演
• [学会発表] DNAナノ構造体上でのRNAポリメラーゼの挙動と転写の1分子観察
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸、辰巳 紘一、照島 功祐、勝田 陽介、日高 久美、原田 慶恵、杉山 弘
  • 学会等名: 第６回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 札幌大学（北海道）
• [学会発表] Direct observation of single enzymatic and chemical reaction in the designed DNA nanostructures
  • 著者名/発表者名: Masayuki Endo
  • 学会等名: dnatec 2012
  • 発表場所: Aarhus University( Denmark)
  • 招待講演
• [学会発表] DNAナノマシーンの操作と運動の可視化
  • 著者名/発表者名: 遠藤 政幸
  • 学会等名: 分子ロボティクス研究会
  • 発表場所: 京都大学（京都府）
  • 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットの感覚
  • 著者名/発表者名: 瀧ノ上正浩
  • 学会等名: 計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会2012
  • 発表場所: ウィル愛知（愛知県）
  • 招待講演
• [学会発表] 分子ロボットへの生物物理学的アプローチ
  • 著者名/発表者名: 瀧ノ上正浩
  • 学会等名: 人工知能学会合同研究会
  • 発表場所: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県）
  • 招待講演
• [備考] 京都大学 iPS細胞研究所 齊藤博英研究室
  • URL: http://www.cira.kyoto-u.ac.jp/saito/
• [備考] 新学術領域「分子ロボティクス」領域ホームページ
  • URL: http://www.molecular-robotics.org
• [産業財産権] RNA-蛋白質相互作用モチーフを利用した蛋白質翻訳量調整システム (2012)
  • 発明者名: 齊藤博英、遠藤 慧、井上 丹
  • 権利者名: 齊藤博英、遠藤 慧、井上 丹
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: US仮出願番号：61/672,219
  • 出願年月日: 2012-07-06
  • 外国