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。

近年来，已经开发了通过使用DNA分子作为材料自组装生产精细的，精确的人造物体的技术。但是，可以作为单个结构制造的分子的大小最多约为100纳米（NM）。这种约束是从物理和经济的角度来看，由于无法从物理和经济的角度准备材料，因此不仅仅是一定数量的DNA。在这项研究中，我们专注于“寡头方法”，该方法允许大量DNA合成，该方法比常规方法便宜100倍，并提出了一种创建大规模DNA伪像的新方法。元素技术包括基于基于DNA的分子结构的几何设计，使用组合优化的序列设计方法，在观察前开发以去除污染物的技术以及使用粗粒分子动力学模拟的稳定性分析。通过结合这些技术，我们开发了一种合理的设计方法，该方法与常规试验和误差技术不同。具体而言，通过组合多个模块来设计具有模拟刚度的桁架结构。每个模块具有连接八个DNA材料的几何结构，并且每个DNA均分配一个热力学正交核苷酸序列。在使用原子力显微镜观察结构时，使用纯化技术洗涤污染物。通过先前的研究，个人技术开发已经成功开发出来，其中一些已成功地报告为论文。此外，我们已经能够通过结合多种技术来尝试实验创建大规模的DNA结构，从而实现某些结果。特别是，我们成功地观察了一个DNA结构，其间隙为每侧约200 nm，具有图案化的空隙，并发现可以扩展约10倍的缩放约10倍的10倍。将来，我们计划继续我们的研究，旨在扩大10次。

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