【研究領域課題番号】20H01875 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ソフトマター / 反応拡散系 / 細胞サイズ空間 / 人工細胞 / 合成生物学 / 時空間パターン

【研究成果の概要】

人工細胞を用いた実験系と、実モデルと縮約変数モデルの反応拡散方程式を用いた理論系を組み合わせ、生命の時空間パターンを決定する細胞内反応拡散波の物理を完成させることを目的としている。これまでバクテリアの細胞分裂面を決定するMinタンパク質系を用いて、その反応拡散波(Min波)を人工細胞内にて安定的に発生させる実験系の構築に成功し、（１）人工細胞の直径と波の形状・速度に相似性が現れること(空間相似性)、（２）球形人工細胞では楕円形の生細胞で見られる極間振動波でなく移動波が主となること(形状依存性)、（３）反応パラメータの変動に対して、波の性質が安定であること(性質の安定性)を見出していた。

本年度は主に（２）に関して研究を進めた。球形人工細胞においても極間振動波が安定的に存在することに注目し、どのようなパラメータで極間振動波が安定して出現するかを検討した。結果、MinDの膜結合と膜解離のバランスが釣り合い、膜解離が優勢となりパターンが消失する転移領域の近傍において極間振動波が出現することが示された。また、パラメータバランスを大きく変化させる温度変化により、極間振動波と移動波を遷移させることに成功した。同時に、これらの波のモード転移にはヒステリシスが見られることを示した。これらの内容は論文として投稿し、現在改訂中である。

（１）と（３）についても空間相似性にともなう波長の固定化が（３）で見られる波の性質の安定性の理由であることを見出した。理論と合わせ、現在論文執筆中である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【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】構成的システム生物学

【研究領域課題番号】15KT0081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

合成生物学 / ソフトマター / 細胞再構成 / 人工細胞 / 反応拡散 / 細胞変形 / 高分子混雑 / システム生物学 / 流動性 / 生命システム / 自己組織化

【研究成果の概要】

本研究では、人工的に構成した細胞(人工細胞)に,生命で機能する部品のグループを導入することで生じる物理的・化学的な変化を、「流動性・生命機能・空間形状」という3つのキーワードを軸に追求しました。結果、細胞が示す空間形状が内部の物質の移動や生命機能に与える影響や、流動性が生命機能の発現を変化させる仕組み、流動性が空間形状変化を制御する可能性など、通常の生命科学ではアクセスしづらい現象の発見やメカニズムの解明に至りました。また、生命機能の模倣による形状の安定化や、硬い生体適合ゲル合成など、研究成果が材料科学にも結び付くことを実証しました。

【研究の社会的意義】

これまで、細胞膜や細胞サイズ空間が示す物理的・化学的な特徴は生化学反応モデルに導入されていないことが大半でした。この理由は、定式化の難しさだけではなく、どのような物理的・化学的な効果が存在しているかが明確でないことに由来します。本研究の成果により、細胞膜や細胞サイズ空間が生命機能とどのようにリンクしているかの描像が見えてきました。こうした描像は細胞生理の深い理解につながり、将来的には生命とは何か、といった問いかけに対する答えや、新しい医学・薬学の視点提供につながることが期待されます。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-07-10 - 2019-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)