小分子入力インターフェイスを備えた分子コンピュータの構築

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本研究の目的は、自律的に動作するDNAコンピュータに、生物にとって重要な小分子の存在を検知する入力インターフェイスを実装することにある。その特色は、生体高分子コンピュータが潜在的に持つ、天然の生命由来の物質を直接扱って解析する能力を顕在化させることにある。このシステム内の多段階の反応は容易にプログラム可能であり、さらに、多段階の反応が自律的に動作する。この小分子を認識するインターフェイスでは、特定の小分子と結合することで起きるアロステリックリボザイムの自己切断の後、自律的に複数段階の反応が進行して、DNAコンピュータの入力となるRNAが生成する。まず、小分子との結合によりリボザイムの自己切断が起きると、リボザイム中でステムを組んでいた断片が解離する。その後、切断済みリボザイムに対して、解離した断片の代わりに一本鎖DNAが対合する。続いて、対合部位に存在するリボザイムの3'末端をプライマー、一本鎖DNAを鋳型として、DNAポリメラーゼによる反応が起きる。その結果、一本鎖DNAに存在したプロモーター配列と鋳型配列が二重鎖化され、転写反応が起きる。こうした一連の反応が自律的に進行することで、RNAが生成される。最初に構築されたシステムでは、ジボザイムの切断活性や一本鎖DNAの対合に関して、小分子の有無によって3倍の反応効率の差を得られたが、転写量の差は2倍未満であった。配列の最適化や、核酸の末端の修飾を行うことで、切断活性や対合では10倍、転写量の差では3倍の差を生み出すことができた。