計画研究
| A01 感覚班 「核酸ナノ構造を活用した多元分子情報変換デバイスの創成」 |
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ここでは，目的とする入力因子の検出・増幅・変換を同時かつ一分子レベルの 高感度で実現できるナノ分子デバイスを構築する．具体的には，種々の入力因 子（核酸，タンパク質，光，pH)を検出し，それをRNA からなるシグナル増幅回路 に連結させる（基盤技術は開発済み）．さらに，増幅したRNAシグナルを任意の 核酸配列（出力）へと変換する人工情報変換デバイスを作成する．これにより目 的の入力に応答して自律的に任意の核酸配列を出力する分子デバイスを実現 する．任意の入力因子を検出するため，二つの戦略を活用する．ひとつは，ノイ ズの大きな細胞内環境を想定し，目的の入力因子を高感度で検出し，任意の RNA 配列に変換する人工RNA ナノスイッチを用いる方法，もうひとつは，DNA オリガミを活用し異なる入力因子をナノサイズの空間分解能で同時かつ独立に センシングし，結果を任意のRNA に変換する方法である．さらに，RNA 人工増 幅回路を拡張し，出力核酸配列を自律的に供給する方法を開発するとともに， マイクロ加工で作製した微小反応場によるモデル実験系を構築する．また，この 分子情報変換デバイスの動的挙動の尐数分子系シミュレーションを行う．開発し たナノ情報変換デバイスをリポソーム膜内に組み込み，膜の外側で検出した入 力情報を，任意の核酸配列の出力として膜の内側にリリースできるようにするこ とで，B01 知能班やC01アメーバ班とのインタフェースを確立する．  |
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| B01 知能班 「知能分子ロボット実現に向けた化学反応回路の設計と構築」 | |
ここでは，分子ロボットの知能中枢を担う，核酸をベースとした化学反応回路の 設計・構築に取り組む．そのために，高速・安定に動作する（AND, OR, NOT 等 の）基本演算素子を開発すると同時に，過去の入力情報を記憶して，その記憶と 現在の入力に基づいて次の出力を決定する計算機構（状態遷移機械）を実現す る．具体的には，核酸の光連結反応や枝分かれ分子の形成技術を用いて高速 に演算できる新規分子素子を開発し，DNA ポリメラーゼ伸長反応を利用した 核酸分子による状態遷移機械を実現する．また，反応回路の確率的自己安定 性を自律分散システム理論により解析し，安定な回路を設計する．さらに，環境 の変化に適応して機能を自己改変できる学習回路システムの設計法を開発する とともに， A01 センサー班およびD01 スライム班とのインタフェースを確立する．  |
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| C01 アメーバ班 「アメーバ型分子ロボット実現のための要素技術開発とその統合」 |
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ここでは，アメーバ型の分子ロボットとして，分子モータ群を備えたサブマイク ロスケールの人工リポソームの研究開発を行う．具体的には，A01 感覚班 の開発するDNA チャネル構造によりセンシング情報を入力し，それをB01 知能班の開発する情報処理回路によって識別・増幅し，微小管伸長などの 分子モータ群を起動・制御して目的の運動を創発させる．すなわち，特定配 列をもつDNA 断片などをセンシング対象として，その外部濃度の変化に応じ た仮足伸長運動の発現を目標とする．センシングデバイスで得た分子情報 をリポソーム内で処理するために，（１）感覚班の作成するDNA チャネル構 造をリポソーム膜内に埋め込む技術，および（２）知能班の開発するDNA情 報処理回路をリポソーム内に実装する技術を開発する．これにより，分子ロ ボット外部の濃度情報がリポソーム内に伝達され，一定の情報処理を経て リポソーム内にアクチュエータ駆動用のDNA 濃度場を形成する．これを駆動 入力として，（３）適切なDNA 修飾を施した分子モータ群（微小管束および微 小管アスター等）を制御する技術を開発し，リポソームの突起（アメーバ仮足） を伸長させる運動を発現させる．より高度な方向性制御を実現するため， （４）分岐構造などを含むペプチド型の分子モータを開発する．また，（５）これ らの分子モータ群をDNA ナノ構造体を用いて構造化することにより，伸長 運動を増幅する技術を開発する．さらに，（６）リポソーム膜面上に分子モー タ群をアンカーするタンパク質を発現させ，膜面上の相転移現象を利用して モータ群の方向を制御する技術を開発する．（７）これら一連の反応系を設計 するため，膜分子およびラフト構造の自己組織化シミュレーションシステムを 開発する．  |
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| D01 スライム班 「構造化ゲルと化学反応場の協働による運動創発」 |
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本研究では，スライム型の分子ロボット開発のための基礎研究を行う．スラ イム型ロボットは，性質の異なるゲルを微細に構造化したゲルアクチュエー タをボディとして持つ分子ロボットで，A01 感覚班のセンサーからの入力や B01 知能班の回路出力を初期刺激としてボディ内に化学反応場を形成する ことにより，アクチュエータを収縮膨張させ，目的の運動を創発させる．具体 的には，特定の化学物質の濃度勾配を感知し，濃度の大きい方向へ泳ぐ蠕 動運動などの実現を目標とする．そのため，異方性や階層性を持つゲルア クチュエータを自己組織化によって生成するとともに ，ゲルアクチュエータに 知能班の作製する分子情報処理回路の計算機能，および燃料となる分子の プール機能を付与し，感度と運動能力を高めるための精密分子設計を行う． さらに，DNA 分子入力信号およびゲルアクチュエータの動特性を考慮した高 次構造を創製し，そのレオロジー制御技術を開発する．また，光によるゲル アクチュエータの直接的な制御のために，光駆動型DNA ゲルの開発を行う． B01 知能班の開発するDNA 回路により非線形時空間振動をプログラムし， ゲル空間内で非均質場を生成することにより，アクチュエータの異方性駆動 を実現する．このため，運動素の動的分布，たとえば三次元らせん反応場を 設計するアルゴリズムを開発する．また，ゲル構造の変形のために，部材の 伸縮だけではなく，脱構築（ゾル化）・再構築（ゲル化）を繰り返して，構造その ものの形状を変えていくためのアルゴリズムを開発する．  |
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