Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

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

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。

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。

非平衡物理学 / モデル生体膜 / 生物物理学 / ソフトマター / ベシクル / 粘弾性 / 生体高分子

細胞は、絶えず外界と膜を介した物質やエネルギーのやりとりを行いながら、生命活動を維持している。それゆえ、非平衡条件下での膜系の構造と物性を理解することは、生命を物理的に理解する上で必要だといえる。近年、細胞膜の基礎となる脂質2分子膜小胞(ベシクル)に、細胞膜の持つ構造的特徴や細胞内外の環境因子をボトムアップ的に付与し、それに応じた構造や形の変化を解析することが可能となってきている。実際に我々は、膜タンパク質モデルとして高分子結合型脂質を添加すると細胞の脂質ラフトのようなナノドメインが安定して形成されること(Yanagisawa et al., 2012 Softmatter)や、光応答性脂質を添加したベシクルに光照射すると膜組成に応じた崩壊が生じること(Diguet, et al, ら 2012 J.Am.Chem.Soc.)、蛋白質発現系をベシクルに封入すると遺伝子発現が膜によって加速されること(Kato et al, 2012 Sci.Rep.)などをこれまでに報告してきている。
こうした研究の流れを発展させて、本研究では細胞内外が異なる粘性流体で占められている点に注目し、それをベシクルで再現した上で、膜内外の粘性の違いが膜の物性や変形へ及ぼす影響を解析した。初めに、高粘性であるゼラチンとPEG (polyethylene glycol)を溶解した2成分高分子水溶液をベシクル内に封入し、内部構造形成に伴う膜変形を観察した。この系は、水溶液中では温度低下に伴ってマクロに2相分離するが(論文投稿中)、ベシクル内では膜との相互作用によって、膜変形と相分離がカップルした新規な非平衡パターンを示すことを見出した(第67回日本物理学会年次大会にて発表)。また細胞のように、膜直下を高分子ゲル、内部をゾルで覆われたパターンも見られている。以上の結果は、細胞がどのように内部構造と形を共に制御しているのか、という機構を理解する上で重要な結果であると言える。

【研究分担者】
川野竜司	東京農工大学	工学(系)研究科(研究院)	准教授	(Kakenデータベース)