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

利用分子模拟和实验自动化开发大规模 DNA 结构设计方法

• 批准号: 22K12255
• 负责人: 川又 生吹
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K12255/
• 关键词: DNAナノテクノロジー; DNAオリガミ; DNAタイル; 組み合わせ最適化; 配列設計; 分子ロボティクス; トラス型構造体

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。

DNA molecules are materials, fine shapes, artificial objects and their own assembly technology has been developing in recent years The size of the molecule is 100 nm. This restriction is due to the material, the necessary DNA, the physical material, the preparation of a certain amount or more. In this study, we propose a new method for large-scale DNA artifact production, which is more than 100 times safer than the traditional method. Element technology, DNA molecular structure, geometric design, assembly optimization, alignment design, detection, inclusion removal technology development, rough visualization, molecular dynamics, application, stability analysis, and so on. The method of design is to combine the two methods and to develop a reasonable design method. The concrete design of the structure is based on the integrity of the structure and the combination of multiple structures. Each DNA material is bound to a geometric contradiction, and each DNA is thermally orthogonal to the other. The structure of atomic force microscope is used to detect and purify the impurities. The success of this research, individual technology development, and one paper In addition, a large number of technologies have been developed for the production of large-scale DNA constructs. In particular, the detection of DNA constructs at the level of 200nm was successful, and the existing DNA separation method was about 10 times more likely than the previous method. In the future, we will continue our research on this issue.

项目成果

Molecular-scale robots built from DNA and their self-assembly

由 DNA 构建的分子级机器人及其自组装

• 发表时间: 2023
• 作者: Sumi Tomonari;Harada Kouji;○土肥栄祐 飯村傑 原瀬翔平 鳥越恵治郎 花谷行雄;藤原豊史;Ibuki Kawamata
• 通讯作者: Ibuki Kawamata