Construction and control of macrophage-like molecular robots by digital-to-molecular information transformation

通过数字到分子信息转换构建和控制类巨噬细胞分子机器人

• 批准号: 20H00619
• 负责人: 瀧ノ上 正浩
• 金额: $ 28.87万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00619/
• 关键词: 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コンピューター; DNAコンピューティング

本研究では、「マクロファージ型分子ロボット」を構築するとともに、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。本年度は、この目標のため、以下のような研究を推進し、多くの成果を得た。代表者・瀧ノ上は、分担者・佐藤と協力して、DNA液滴を用いたマイクロRNAセンシングができるDNA液滴コンピュータの開発に成功した。また、瀧ノ上は佐藤と協力して分子ロボットの筐体となるDNAゲル・DNA液滴の粘性・表面張力等の基礎物性と塩基配列の関係を詳細に調べ、相転移温度におけるDNAゲル（液滴）の界面張力および粘性が、塩基配列設計により変更可能なことを見出した。また佐藤と瀧ノ上は、DNA液滴が相分離現象により形成される様子を、数値シミュレーションで記述することに成功した。瀧ノ上は分担者・野村と協力し、DNAゲルを用いた分子ロボットの培養細胞との相互作用評価に取り組んだ。その成果として、特異性の高い認識分子を用いることによる細胞の選択的な取り込み挙動を見出し、特許出願中である。野村は、加えて、より巨大かつ磁場による外部操作が可能な分子ロボットシステムとして、cmスケールの人工多細胞構造の自己集合による構築について新たな手法を見出し、報告を行った。さらに、分担者・尾上は瀧ノ上と協力し、ポリアクリルアミドを二本鎖DNAで架橋した合成高分子/DNA混合ゲルを構成し、ヒスタミンアプタマーの鎖置換反応と、DNAヘアピンモノマによる鎖置換カスケード反応による二本鎖DNAの伸長反応により、ヒスタミンに特異的に応答して膨潤するDNAゲルセンサの構築に成功した。分担者・伊野は、瀧ノ上と共同で、DNAゲルを用いたハイドロゲルファイバーを作製し、細胞培養に応用した。また、ハイドロゲル内の細胞機能を電気化学的に計測した。

在本研究中，我们的目标是构建一个“巨噬细胞型分子机器人”，并将该分子机器人与数字世界连接起来，构建一个数字混合分子机器人。今年，为了实现这一目标，我们推进了以下研究并取得了很多成果。泷上代表与同事佐藤合作，成功开发了一种 DNA 液滴计算机，可以使用 DNA 液滴进行 microRNA 传感。此外，泷上与佐藤合作，详细研究了作为分子机器人外壳的DNA凝胶和DNA液滴的粘度和表面张力等基本物理性质与碱基序列之间的关系，并研究了DNA凝胶与DNA液滴之间的关系。我们发现通过设计碱基序列可以改变液滴的界面张力和粘度。 Sato 和 Takinoue 还利用数值模拟成功地描述了通过相分离现象形成 DNA 液滴的过程。 Takinoue 与他的同事 Nomura 合作，评估使用 DNA 凝胶的分子机器人与培养细胞的相互作用。结果，我们发现了细胞使用高度特异性识别分子的选择性摄取行为，目前正在申请专利。此外，野村发现并报道了一种通过自组装构建厘米级人工多细胞结构的新方法，作为分子机器人系统，该系统更大并且可以使用磁场进行外部操纵。此外，共同作者Onoue与Takinoue合作构建了一种合成聚合物/DNA混合凝胶，其中聚丙烯酰胺与双链DNA交联，组胺适体的链置换反应和DNA发夹单体的链置换级联反应我们成功构建了一种 DNA 凝胶传感器，该传感器通过双链 DNA 的延伸反应响应组胺而膨胀。合著者 Ino 与 Takinoue 合作，利用 DNA 凝胶制造水凝胶纤维，并将其应用于细胞培养。此外，还通过电化学方法测量了水凝胶内的细胞功能。

项目成果

”光化学反応を利用したDNAオリガミカプセルの機能化に向けて”

“利用光化学反应实现 DNA 折纸胶囊的功能化”

• 发表时间: 2022
• 作者: Weng Y.;Maki T.;山下和誼，Marcos Masukawa，茶野真由美，佐藤佑介，瀧ノ上正浩
• 通讯作者: 山下和誼，Marcos Masukawa，茶野真由美，佐藤佑介，瀧ノ上正浩

”Construction of DNA origami capsules using phase-separated droplets as templates”

“使用相分离液滴作为模板构建 DNA 折纸胶囊”

• 发表时间: 2022
• 作者: Nagi Yamashita;Marcos Masukawa;Mayumi Chano;Yusuke Sato;Masahiro Takinoue
• 通讯作者: Masahiro Takinoue

” DNA ハイドロゲルの遠隔制御技術の開発”

“DNA水凝胶远程控制技术的开发”

• 发表时间: 2022
• 作者: Yasuo Nobuaki;Ishida Takashi;Sekijima Masakazu;佐野仁亮，瀧ノ上正浩
• 通讯作者: 佐野仁亮，瀧ノ上正浩

“DNAナノ構造の物理的構造変化によるDNAオシレータの構築“

“通过DNA纳米结构的物理结构变化构建DNA振荡器”

• 发表时间: 2022
• 作者: Kenji Toyota;Kazuki Usami;Kanta Mizusawa;Tsuyoshi Ohira.;山口将寿，瀧ノ上正浩
• 通讯作者: 山口将寿，瀧ノ上正浩

“光による液ーゲル相転移制御を通じたDNA自己集積体の流動性制御“

“通过光诱导液体-凝胶相变控制 DNA 自组装的流动性”

• 发表时间: 2020
• 作者: Nobuyuki Yasuo;Hiroshi Yoda;Masakazu Sekijima;鵜殿寛岳，瀧ノ上正浩
• 通讯作者: 鵜殿寛岳，瀧ノ上正浩