【研究領域課題番号】20K21828 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボット / 人工細胞 / DNAナノテクノロジー / ソフトマター / 光制御 / 非平衡系 / ゲル / 相分離 / マイクロ流体工学 / MEMS

【研究成果の概要】

分子ロボットは、生体分子でできた、ナノからマイクロメートルの微小サイズのロボットとして注目されている。本研究では、紫外/可視光・赤外レーザー・電波などの電磁波によって、細胞型のDNA分子ロボットを遠隔制御する技術を開発することを目的とした。最終的に、電磁波等によって、DNAゲルの物性を変化させられることを示し、DNAゲルでできた分子ロボットを、電磁波によって遠隔的に制御できる可能性が見出せた。

【研究の社会的意義】

生体内や環境中で情報をセンシングし、分子でコンピューティングし、プログラムされたタスクをこなす超微小ロボットとして注目されている。これは、次世代情報工学技術であるInternet of Nano Things (IoNT)を担う技術の一つとして期待される。本研究で得られた技術を発展させれば、プログラムされたタスクをこなすDNA分子ロボットと、その遠隔的な操作技術へ発展させていくことが期待でき、薬物送達などの技術にも応用可能である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】20H00619 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボティクス / DNAナノテクノロジー / 電気化学 / 人工細胞 / ソフトマター / DNAコンピューティング

【研究成果の概要】

本研究では、「マクロファージ型分子ロボット」を構築すると伴に、ディジタルの世界と当該分子ロボットをつないで、ディジタルハイブリッドな分子ロボットを構築することを目的としている。
代表者・瀧ノ上は、分担者・佐藤と協力して、分子ロボットへのターゲット分子のセンシング機能の付与の実験を行った。分子ロボットのボディとしてDNAゲルを用いた。DNAゲルは、Y字型DNAナノ構造をネットワーク状に集積させて構築した。DNAゲルのマイクロRNA(miRNA)のセンシング機能を発展させ、DNA液滴による分子コンピューティングによって、miRNAパターンの判定をできるように改良した。アプタマや抗体などを用いて、生体的な小分子やmiRNA、細胞表面の抗原などを認識して、ある種のコンピューティングを行えるDNAゲル(知的な振る舞いができるDNAゲル)を確立するため、細胞を包み込んで阻害するようなメカニズム(人工食作用)を導入するため、抗体やアプタマ等を効率よくDNAゲル・DNA液滴の内部に修飾して、機能を発現できるよう、条件検討をした。さらに、光異性化を示す化学修飾をしたDNA液滴を作成し、温度変化に依らなくてもDNA液滴の流動化を実現できる方法を見出し、DNA液滴による分子ロボットと、細胞との融合に道筋をつけた。分担者・尾上は、代表者・瀧ノ上と協力して、DNAアプタマーを用いた分子認識センサをDNAゲルの増幅機構を用いて取り組んだ。分担者・野村は、標的となる細胞を超えるサイズの人工多細胞型分子ロボットの調製方法を見出し、報告した。分担者・佐藤は、代表者・瀧ノ上とともに、DNAゲルをカプセル形状に自己集合させることに成功した。分担者・伊野は、代表者・瀧ノ上と協力して、DNAハイドロゲル内での細胞培養に成功し、ハイドロゲル内での細胞呼吸の電気化学計測に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究領域課題番号】18K19834 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNAナノテクノロジー / 分子ロボティクス / 人工細胞工学 / 生物物理学 / DNA液滴 / 人工細胞核 / 人工クロマチン / 人工核様体 / 分子ロボット / 人工細胞 / ソフトマター物理

【研究成果の概要】

DNAマイクロゲルの技術を応用して、人工的な細胞核様構造を作り、分子ロボットとするため、DNAマイクロゲル自己組織化技術に関して研究を実施した。DNAマイクロゲルは、化学合成の短鎖DNAで作製したY字型のDNAナノ構造を会合反応によりネットワーク状に集積させてゲル状にして作った。DNAがゲル粒子状態だけでなく液滴状態になることを発見した。DNA液滴の相転移や相分離の挙動の配列依存的な特性の制御に関する実験に成功した。外部からの分子刺激（タンパク質）によって、DNAゲルが相分離するパターンや分裂する現象などを示した。以上により、人工細胞核型分子ロボットの構築と制御の基礎が固まった。

【研究の社会的意義】

本研究により、通常、ゲル構造しか作らないと考えられていたDNAナノ構造が、ある条件下では、液-液相分離により、塩基配列でプログラムなDNA液滴（DNA droplet）を形成したり、粘弾性相分離によってポーラス状のカプセル構造を形成できることが分かった。また、タンパク質を集積させたり、タンパク質刺激によって構造を変化させたりすることができるため、分子センサーや人工オルガネラなどの新奇バイオナノテクノロジーの開拓に成功した。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】17H01813 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNAナノテクノロジー / 分子ロボティクス / 人工細胞工学 / 生物物理学 / ソフトマター / DNAゲル / DNAオリガミ / DNA液滴 / 分子ロボット / 人工生命 / 人工細胞 / マイクロ流体工学 / 人工生命・人工細胞 / マイクロ流路

【研究成果の概要】

DNAによる分子ナノシステムを細胞サイズまでスケールアップして自己組織化させ、DNA設計に由来するプログラマブルな動的分子システムである複製する非平衡動的なDNA人工細胞の構築のための基礎技術の開発を行った。まず、両親媒性化したDNAオリガミナノプレートでカプセル状のDNA人工細胞を構築した。次に、自律的に分裂できるDNAゲル人工細胞の構築を行った。外からのタンパク質の入力に応答して、混和に寄与しているリンカーDNAが切断されることによって、混和状態が解消され、細胞分裂や細胞核の分裂のような自律的な分裂を実現できることを実証した。

【研究の社会的意義】

本研究では、完全に設計されたDNA分子によってプログラマブルな動的なシステムの構築を目指した。プログラマブルであるということはコンピュータで設計・制御して作れるようになるということであり、材料設計やデバイス構築の方法論を革新するだけでなく、生命システムのような自律的かつ動的なシステムに関する大きな知見が得られるため学術的に意義がある。汎用的な方法論の構築とともに、将来的に、自律性・知性のあるナノ/マイクロロボット・スマート材料・スマート医薬等の開発に応用できると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】16K12521 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボット / 人工細胞 / DNAナノテクノロジー / DNAオリガミ / マイクロ油中水滴 / マイクロ流体デバイス / 自己組織化 / ピッカリングエマルション / 油中水滴 / カプセル / マイクロ流路

【研究成果の概要】

本研究では，DNAナノ構造による分子機能制御とマイクロ流体工学による流体界面制御による細胞型分子ロボットの創製と制御を目指した研究を行った．DNAオリガミによる機能性の両親媒性DNA分子ナノデバイスをマイクロ油中水滴の界面に自己組織化させて細胞型分子ロボットを構築できた．期間全体を通じた研究により，分子センシングや自律的な運動などの機能を含めた，プログラマブルに，動的な機能をもつ細胞型分子ロボットを構築する基礎技術ができた．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】知能ロボティクス

【研究領域課題番号】26280097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボット / 人工細胞 / DNAナノテクノロジー / マイクロマシン / 非平衡 / 自己組織化 / ゲル / エマルション / 動的自己組織化 / DNA

【研究成果の概要】

本研究では，マイクロメートルスケールの非平衡場を構築・制御し，分子を時空間的・動的に自己組織化させ，非平衡場のエネルギーを利用して自律的に駆動する，「動的な細胞サイズ分子ロボットの創製と制御」を行うことを目的とした．研究の結果，細胞サイズ分子ロボットのための非対称複雑形状ゲル粒子の構築技術と動的自己組織化法の開発，化学反応によるゲル粒子の自律運動の実現に成功した．さらに，細胞やDNAを用いた細胞サイズ分子ロボットへのバイオ機能の付与や，細胞サイズマイクロ粒子の集団的自発運動の実験と理論解析にも成功した．これらを通し，細胞サイズ分子ロボットに動的な運動・機能などを実現する基礎を築いた．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)