| 研究課題/領域番号 |
19H01857
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
鳥谷部 祥一 東北大学, 工学研究科, 教授 (40453675)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 分子モーター / DNAナノテクノロジー |
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| 研究実績の概要 |
昨年度に引き続き，コロイド粒子とDNA分子を用い，自律的に一方向に運動する「硬い」人工モーターの実証実験を行った．分子モーターを実現する上で，「化学状態」のサイクルと，「モーター-固定子間の相互作用」のサイクルをカップルさせることが重要である．すなわち，化学状態変化が相互作用を変化させ，逆に，相互作用の変化が化学状態の変化に影響するという化学-力学カップリングの実現が必要である．DNAを用いることで，要素間の相互作用を自在に制御できるとともに，その強さを時間変化させることが可能となる．本年度は，運動の基盤としてDNAナノチューブ技術を応用し，DNAで作製したチューブ型構造を固定子として働くレールとして活用する試みを始めた．このDNAナノチューブの作製と可視化，また，その上での燃料分子の結合に関しては昨年度に確認済みである．本年度は，このシステムを発展させ，人工分子モーターの実現を目指した．特に，DNAナノチューブ上での1本鎖DNAの酵素による切断，および，粒子-燃料DNA-レールの複合体作製を目指した．
コロイド粒子とDNA分子を組み合わせた系は，多様な条件での検討を行ったが，ガラス表面との非特異的な相互作用を抑えることが難しかった．そこで，コロイド粒子の代わりにDNAオリガミ技術を用いてモーター本体を構築するという新しい実験系の検討をスタートした．また，それと同時に，レールとなるDNAナノチューブの形成技術の再検討を行った．ナノチューブの形成は，高温から室温までゆっくりと温度を下げていくというアニーリング法で形成するのが標準的である．しかし，この方法ではナノチューブの長さ分布のばらつきが大きく，特に，短い鎖が大量に形成され効率が悪いことが知られていた．そこで，この理由を探るとともに，新しいナノチューブ技術の開発を行った．
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| 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
コロイド+DNAという組み合わせでの人工分子モーターからより発展した系として，DNAオリガミ技術を用いてすべてDNAからなる人工分子モーターの形成の検討を始めた．DNAオリガミでのモーター形成は本プロジェクト開始時からの計画にあり，その意味では，計画通りに進んでいると言える．本年度，特に，ヒンジ型の構造を持ち，燃料結合で開閉する人工モーターの基本的な設計を終えた．来年度，具体的なオリガミのデザインや数値計算を進める．
また，モーターが動くためのレールとなるDNAナノチューブの形成に関して新しい技術開発を行った．レールとして使用するには，長いDNAナノチューブを効率的に作ることが望まれる．しかし，従来のアニーリング法では，短いチューブが多数形成され，効率的ではなかった．まず，多様な条件でアニーリングを行い，アニーリング法では，核形成が頻繁に生じることで短いチューブが多く形成されていることをまず突き止めた．さらに，核形成にはある程度の時間が必要で，チューブ成長よりも時間がかかることが分かった．そこで，温度サイクルを行うことで，この時間スケールの違いを利用し，長さ分布を制御した．その結果，短いチューブの形成を抑え，平均長を大きく伸ばすことに成功した．
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| 今後の研究の推進方策 |
DNAオリガミ型の人工モーター実現に向けて本格的に研究を進める．人工分子モーターは，ラチェット型と構造変化型の2つに分類することができる．ラチェット型はメカニズムがシンプルであるが，パフォーマンスは悪い．また，すでにある程度の研究の積み重ねがある．一方，構造変化型は複雑でありこれまでの実現例が存在しないが，大きなパフォーマンスが得られると期待できる．両者には一長一短があり，両方のアプローチで進めるのが良い．
そこで，来年度は，これら２つのアプローチの両方でDNAオリガミベースの人工分子モーター実現に向けた研究を進める．ラチェット型に関しては，燃料供給，構造で決まる方向性，スケーラビリティという重要な3つの要素をすべて満たすモーターは実現していない．そこで，従来型のバーントブリッジラチェット型モーターから出発し，これに燃料供給＋構造非対称を加えたモデルを構築し，数値計算によりその動作を確認する．
また，構造変化型に関しては，まず，脚となるヒンジ型構造をDNAオリガミで形成し，透過型電子顕微鏡でその構造を確認する．特に，燃料の付加によるヒンジの折れ曲がりを確認する．また，電顕では静的な構造しか観察できないが，色違いの量子ドットを複数結合することで，蛍光顕微鏡で動的な構造変化を観察する．さらに，統計的に解析するため，電気泳動で構造変化をバンドシフトとして観察できるよう，条件の検討を行う．
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