分子シミュレーションと実験自動化による大規模DNA構造体設計手法の開発

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DNA分子を材料として、微細で精密な形状を持った人工物を自己集合により作製する技術が近年発展している。しかしながら、単一の構造として作製可能な分子の大きさは、せいぜい100ナノメートル（nm）程度である。この制約が生まれる要因は、材料として必要なDNAを、物理的・経済的観点から、ある一定量以上準備できないことにある。本研究では、従来法と比べて100倍以上安価かつ大量にDNAを合成可能な「オリゴプール法」に注目し、大規模なDNAの人工物を作製する新規手法を提案する。要素技術として、DNAの分子構造に基づいた幾何学設計、組み合わせ最適化を用いた配列設計手法、観察直前に夾雑物の除去する技術の開発、粗視化分子動力学シミュレーションを用いた安定性解析などが必要になる。これらの手法を組み合わせることで、従来の試行錯誤による手法とは異なる合理的な設計方法を開発する。具体的には、シミュレーションによって剛直性が担保されたトラス構造体を、複数のモジュールを結合させて設計する。各モジュールは8本のDNA材料が結合した幾何学的に矛盾のない構造であり、各DNAには熱力学的に直交性が担保された塩基配列を割り当てる。構造を原子間力顕微鏡により観察する際には、夾雑物を洗い流す精製手法を用いる。これまでの研究により、個別の技術開発に成功し、その一部を論文として報告することに成功した。さらに、複数の技術を組み合わせ、大規模なDNA構造体を実験的に作製することに挑戦し、一定の成果を得ることができた。特に空隙をパターニングされた一辺200nm程度のDNA構造体の観察に成功し、既存のDNAオリガミ法に比べ、約10倍のスケールアップが可能であることが分かった。今後は、さらに10倍のスケールアップを目指し研究を進める予定である。