| 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 |
本年度から，DNAオリガミベースの「やわらかい」人工モーターの実現に向けた研究を開始した．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．本年度は，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た．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した．その結果，新しい運動メカニズムを提案し，特に，一方向に運動し続ける条件を発見した．現在，論文を執筆中であり，近日中に投稿予定である．
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設計し，DNAオリガミで構造を作った．また，分子動力学法に基づいた数値計算で動作を確認した．構造が正しく出来ていることは透過型電子顕微鏡で確認できた．2021年度後半は，燃料の付加によるヒンジの折れ曲がりを確認していた．特に，電顕と電気泳動からは，燃料の結合が不十分であると推測され，現在，設計の見直しを行っている．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できる．このための準備として，カルボキシル基付き量子ドットへのDNA修飾ができることを確認した．
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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
以下の通り，ラチェット型と構造変化型の両者で成果がでつつあり，計画通りに進んでいると言える．
ラチェット型に関しては，物理的に妥当な詳細な数値計算モデルを構築し，回転型のモーターが一方向に回転することを示した．これは新しいコンセプトの提案となっており，スケーラビリティ（脚の数が可変であり，脚を増やすことでトルクなどが増強される性質）と構造非対称で決まる一方向性を備えた初めての人工分子モーターの例となっている．さらに，運動するために必要な条件を詳細に明らかにし，モーターが発揮できるトルクの大きさも見積もった．現在，論文を執筆中であり，近日中に投稿予定である．
構造変化型のモーターに関しては，基本設計を終え，DNAオリガミで形成するためのDNA配列の設計，分子動力学による数値計算での構造安定性の確認を終えた．これをもとに，実際にDNAオリガミで構造を形成し，透過型電子顕微鏡で構造ができていることを確認済みである．燃料結合によるヒンジの折れ曲がりを検証したが，現時点でははっきりと折れ曲がりを示すことができていない．条件を変更して繰り返し実験して調べたところ，DNA配列の設計に不備が見つかった．そこで，配列設計の見直し，現在，新しい配列での実験を実施しようとする段階である．
また，電顕では静的な構造しか調べることはできないが，複数の異なる色の量子ドットをプローブとして用い，ヒンジの曲がりを蛍光顕微鏡で観察予定である．そのために，多色の同時観察が可能な蛍光顕微鏡の導入をする予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度の研究をさらに進めていく．ラチェット型に関しては早期に論文を仕上げ，投稿する．構造変化型については，燃料分子の結合が弱い原因がほぼ特定できたので，早期にDNA配列の設計を見直し，実験を繰り返す．また，量子ドットによる動的な観察は有力な手段と考えられ，できる限り早期の実験系構築を目指す．さらに，統計的な解析のため，蛍光エネルギー共鳴と電気泳動を組み合わせて，ヒンジの曲がりを蛍光強度の変化によって可視化する．燃料結合によるヒンジの曲がりが確認できたら，脚とレールの相互作用を調べる．レールには，2020年度に詳しく調べたDNAナノチューブを利用する．DNAナノチューブ側面に脚との相互作用部位を用意し，足とレールの相互作用を蛍光顕微鏡や電顕で確認する．これができ次第，酵素による燃料分解による構造変化や，足を複数組み合わせたモーター本体の構築を目指し，最終的な目標である，構造変化を伴う人工分子モーターの実現を目指す．ここまで実現できたら，モーター本体の「硬さ」を変化させ，それによってモーターの運動速度や速度ゆらぎがどう変化するかを調べる．マルチカラーの量子ドット観察のために，2色を同時に観察できる蛍光顕微システムを構築する．
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