2020 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Molecular Actuation Systems for Minimal Artificial Brain

Planned Research

Project Area	Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
Project/Area Number	20H05972
Research Institution	Kansai University
Principal Investigator	葛谷明紀関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00456154)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	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, 特任助教 (10724867) 上杉薫茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (20737027)
Project Period (FY)	2020-11-19 – 2025-03-31
Keywords	分子モーター / DNA / 化学エネルギー / リポソーム
Outline of Annual Research Achievements	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。「Pユニットからの出力に応答した、突起の形成やリポソーム大変形の実現」、「変形にともなう力を計測するシステムの確立」などを通じて、Aユニットの変形によるSPAユニット間の結合(シナプス)形成、すなわち、Aユニットに組み込んだレセプタ/トランスデューサを介してSPAユニットを別のSPAユニットと動的に接続する機構の開発をめざす。 2020年度、葛谷は共焦点蛍光顕微鏡などのリポソームを観察するための設備を整えた。遠心沈降法によるジャイアントベシクルの調製とその蛍光観察が所有の設備で問題なく行えることを確認し、次年度以降、分子人工筋肉をリポソーム内に封入する技術的基盤を確立した。瀧口は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なった。またアクチン線維と同時にアクチンの制御因子を効率良く共封入する新技法の開発のために、液液相分離を生じる高分子二成分溶液系を利用したリポソーム作製法の応用を試み、成功している。コビルは必要なタンパク質（微小管、およびキネシン）の調製と活性保持の確認を行い、DNAオリガミを介した高次集合体の形成を行った。上杉はリポソームの変形を3次元的に観察するための観察系を構築した。また、リポソームに対応した力学モデル、及び機械的特性評価システムの設計も進めた。更に、実際にリポソームの調製と観察等も行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 採択時期が年度後半となったため、実験内容に関しては計画調書に記載した初年度の実施内容を全て完了することはできなかったが、各分担者はそれぞれ必要とする研究基盤の整備を、与えられた短い期間内にほぼ問題なく完了することができた。
Strategy for Future Research Activity	本研究は「ニューロイド内で機能する自己組織化に基づく外部刺激への応答性と、情報伝達機能を備えた分子アクチュエータシステムを開発する」ことを最終目標としており、研究開始3年目までに、下記の中間目標を定めている。(i) Pユニットからの出力に応答した、リポソーム直径の100%の長さに相当する突起の形成、もしくはリポソームのアスペクト比 1:2 以上の大変形を実現する。(ii) 光照射による変形のリセット機構を組み込み、動作とその解消からなる一往復のアクチュエーションを実現する。(iii) 変形にともなう力を計測するシステムを設計・構築する。 2021年度は、(a) 研究分担者らによって既報の「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」をリポソームへと封入するための基礎的条件検討を行う。具体的には、DNAオリガミ構造体によって高次集積化されたDNAオリガミ/微小管/キネシンモーター三者複合体を含む溶液を用いて、遠心沈降法によるリポソームへの封入と動作確認を行う。また、リポソーム内のATP濃度を定量する系も確立する。(b) アクチン線維の動態制御に有効性を示した人工夾雑物やアクチンの制御因子とDNAオリガミ技術との分子連携を、班内外の共同研究者の協力を得ることで各種化学修飾法を通じて実現する。それらの系をアクチン封入リポソーム内に実装することで、これまでは随意にはできなかったリポソームの大変形の操作を目指す。(c) まずリポソームに対応した力学モデル（全体モデル，膜モデル）を構築する。またリポソーム機械的特性評価システム（マイクロピペット吸引法）の構築も進める。そして、リポソームの機械的特性評価（2次元，及び3次元）を行う。さらにマイクロピペット吸引法以外のリポソーム機械的特性評価法の提案・適用も検討する。