| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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| Project/Area Number |
24104004
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小長谷 明彦 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (00301200)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛谷 明紀 関西大学, 工学部, 准教授 (00456154)
角五 彰 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10374224)
平塚 祐一 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 准教授 (10431818)
瀧口 金吾 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20262842)
野村 慎一郎 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50372446)
松浦 和則 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60283389)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / 人工生命システム / 生命分子計算 / DNAナノ構造 / ペプチドナノ構造 / 巨大リポソーム / 分子モーター制御 / 生体分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アメーバ型分子ロボットプロトタイプの実現に向けて,前年度に引き続き班員が持つ技術の統合化ならびにシステム化を進めた.2014年度はアメーバ運動の実現に向けてDNA分子によりタグ付された微小管およびアクチンフィラメントの運動制御ならびにリポソームへの分子アクチュエータの導入に注力した.具体的には下記の共同研究を推進した.
DNA配列による微小管の運動制御に関しては,異なる長さのDNA配列を化学的修飾した微小管に対して相補的な配列を持つ一本鎖DNA鎖を導入することにより,微小管集団運動のキネシン固定基板上での回転運動および並進運動をDNA配列で制御可能のであることを見出した(角五,葛谷).
リポソームと分子モーターによるアメーバ骨格の作成に関しては,班間連携を推進し,細胞サイズリポソームへの,分子モーターシステムの導入と,オリゴDNA配列およびチャネル分子の導入を行い,知能班の小宮らと細胞サイズコンパートメント内でのDNA増幅の確認を行った(野村).また,光ピンセットを用いて直接測定することでリポソームの変形に要する力が約10pNであることを明らかにした(瀧口).
分子間結合の光制御に関しては,応答性アミノ酸を介してβ-sheet形成能を持つペプチドとDNAを光連結し、DNAハイブリダイゼーションにより成長する光誘起ペプチド繊維システムの構築に成功した(松浦).また,モータータンパク質にカルシウムで制御可能な自己会合性のペプチド配列を結合させた人工キネシンを作製し,光刺激でカルシウム濃度を変化させることで微小管のネットワーク構造を変化させることに成功した(平塚).
微小管の運動シミュレーションに関しては,GPUを用いて3D実時間シミュレーションシステムを開発した(小長谷,角五).また,AFM画像におけるDNAナノ構造自動認識に関しては対話型の認識システムを開発した(小長谷,葛谷).
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2014年度は,前年度に引き続き,アメーバ型分子ロボットプロトタイプ実現の中核技術である運動パターン制御および細胞形状変化に注力し，計画通りの成果を達成した.また,感覚班および知能班との共同研究を推進し，プロトタイプ開発が当初の計画以上に進展した。
運動パターン制御に関しては, アゾベンゼンをDNA塩基配列中に導入した光応答性DNA用いることで生体分子モーターの集団運動の光制御を実現した(角五,葛谷). また，アクチンを直接DNA修飾することによりアクチン線維の人為的な束化に成功した(瀧口).さらに,微小管の動作を再現する３次元実時間シミュレーションシステムを開発した(小長谷,角五).
細胞形状変化に関してはカルシウムによる微小管ネットワーク制御方法を応用することによりマイクロチャンバ内に長さ数ミリメータの人工筋肉様の収縮性ファイバを作製することに成功した(平塚).また,リポソーム作成のための界面通過法に関して,これまでのものと比べて約２桁少ない僅かな量の原料・試料から作成する方法を開発した(瀧口).さらに,光トリガーの実現に向けて自己集合性ペプチド繊維成長の光制御に成功した(松浦).
感覚班および知能班とのインタフェースに関しては、要素技術である「DNAによる微小管ネットワークの形態変化制御（平塚）」「モータータンパク質群のリポソームへの封入（野村）」「光照射によるDNAの増幅（野村、小宮(知能班)、瀧ノ上（感覚班))」を達成した。また,キネシン集合体と微小管とをより巨大（直径20マイクロメートル以上）なリポソーム内に導入する手法を開発した(平塚・豊田・瀧口・瀧ノ上(感覚班))．
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| Strategy for Future Research Activity |
2015年度は,前年度に引き続き,アメーバ型分子ロボットプロトタイプ実現の中核技術である運動パターン制御,細胞形状変化ならびに感覚班および知能班との共同研究に注力する．
運動パターン制御に関しては,分子モータのDNAタグ化を拡充し,キネシンをはじめとしてアクチンおよびミオシンのDNA修飾を図る(葛谷).また，光を用いた分子モータによる運動モード制御法の確立を図る(角五).さらに,微小管運動を計算機上で再現するために3次元実時間シミュレーションシステムの拡充を図る(小長谷,角五).
細胞形状変化に関しては, 光応答性ペプチドを活用して光信号によるリポソーム上での異方的なペプチド繊維成長によるマランゴニ効果により，リポソームの並進運動を光制御する方法を検討する(松浦). また,アクチン線維の人為的な束化技術と新たに作製したアクチンの人工重合核を利用して巨大リポソーム内部での分子アクチュエータの再構築を図る(瀧口)．
感覚班および知能班との共同研究に関しては, キネシンにタグ付けしたDNA配列や添加DNA配列等を調整することでDNAコンピュータ（DNA回路）から出力されたDNA配列を用いて微小管ネットワークの形態を制御できる系を開発する(平塚,小宮(知能班)). また，DNA配列でタグ付けされた各分子デバイスの結合と解離を評価し，添加DNA配列による運動の制御を試みる（野村，平塚，角五，葛谷, 瀧口).さらに，DNA増幅回路の導入による制御系の評価を行う（野村，小宮(知能班)，村田(スライム班)，川又(スライム班)).
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