信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を創るための基礎論と設計法

生体分子で構成される分子ロボットは，様々な要素技術が統合された知的システムである。医療分野での応用が期待されている分子ロボットを実用化へと進展させる上で，高機能なDNA制御回路の実現が求められている。DNA回路の実態は化学反応系であり，その構成分子であるDNA鎖が分子部品となる。しかし，分子間反応の熱力学的ゆらぎの影響を受けるため，DNA鎖は回路設計の分子部品という観点では信頼性が低い。ここに，信頼性の低い分子部品を使って信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論と設計法が求められている。そこで本研究では，信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論を確立し，分子ロボットに搭載可能な高機能な制御回路を設計することを目指している。2021年度までに，研究代表者らが考案した finite-time regulation property を発展させ，DNA反応系を２つの時間スケールモデルに変換し，DNA回路の特性を制御工学において用いられる周波数応答解析にて評価する手法を確立した。一般に，DNA回路は燃料となるDNA鎖を消費しながら駆動するが，燃料鎖が反応場に必要十分量存在する条件下での動的振る舞い（過渡特性）と定常状態において確定する入出力関係（定常特性）を分けて議論する必要がある。本研究課題において，前者に対して，制御理論に結びついた新しい方法論を構築したことが研究実績となる。また，2021年度までに，光応答性分子アゾベンゼンを用いて，DNAフィードバック制御回路を長時間駆動する方法論も確立した。以上の実績を踏まえ，2022年度は，様々な機能を持つDNA回路の解析手法を検討しつつ，英語書籍「Molecular Robotics」の反応系設計に関する章の取りまとめと執筆（分担）を行い，体系的に当該分野における技術状況をまとめた。

生体分子で構成される分子ロボットは，様々な要素技術が統合された知的システムである。医療分野での応用が期待されている分子ロボットを実用化へと進展させる上で，高機能なDNA制御回路の実現が求められている。DNA回路の実態は化学反応系であり，その構成分子であるDNA鎖が分子部品となる。しかし，分子間反応の熱力学的ゆらぎの影響を受けるため，DNA鎖は回路設計の分子部品という観点では信頼性が低い。ここに，信頼性の低い分子部品を使って信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論と設計法が求められている。そこで本研究では，信頼性の低い分子部品から信頼性の高いDNA回路を設計するための基礎論を確立し，分子ロボットに搭載可能な高機能な制御回路を設計することを目指している。2021年度までに，研究代表者らが考案した finite-time regulation property を発展させ，DNA反応系を２つの時間スケールモデルに変換し，DNA回路の特性を制御工学において用いられる周波数応答解析にて評価する手法を確立した。一般に，DNA回路は燃料となるDNA鎖を消費しながら駆動するが，燃料鎖が反応場に必要十分量存在する条件下での動的振る舞い（過渡特性）と定常状態において確定する入出力関係（定常特性）を分けて議論する必要がある。本研究課題において，前者に対して，制御理論に結びついた新しい方法論を構築したことが研究実績となる。また，2021年度までに，光応答性分子アゾベンゼンを用いて，DNAフィードバック制御回路を長時間駆動する方法論も確立した。以上の実績を踏まえ，2022年度は，様々な機能を持つDNA回路の解析手法を検討しつつ，英語書籍「Molecular Robotics」の反応系設計に関する章の取りまとめと執筆（分担）を行い，体系的に当該分野における技術状況をまとめた。