ナノメートルサイズの「荷物」を自動的に仕分ける分子輸送システムを実現
2022年3月11日
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）
ポイント
■ DNAナノチューブ上に埋め込まれた命令を逐次読み取りながら自走するナノマシンを開発
■ ナノメートルサイズの「荷物」をプログラムどおりに動かす分子輸送システムを実現
■ 生物を模倣した制御可能な情報処理システムの研究にブレークスルーをもたらす可能性
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT(エヌアイシーティー)、理事長: 徳田 英幸）未来ICT研究所の指宿 良太 研究員と古田 健也 主任研究員らの研究グループは、兵庫県立大学と共同で、DNAナノチューブのレール上をプログラムどおりに動くナノマシンを開発し、新たな分子輸送システムを実現しました。
開発したのは天然の生物分子モーターをベースにしたナノマシンで、DNAナノチューブのレール上の「DNA塩基配列で書かれた命令」を読み取り、この命令どおりにレールに沿って自走します。さらに、異なる命令を読み取る複数のナノマシンを開発し、レールに「右に進め」「左に進め」などの命令を埋め込むことで、ナノメートルサイズの「荷物（分子）」をプログラムされたとおりに仕分ける分子輸送システムを実現しました。
今回、天然のレールよりも大幅に制御しやすいDNAナノチューブ上を自走するナノマシンを創出できたことで、[生物を模倣した情報処理システムの研究](にブレークスルーをもたらす可能性があります。
なお、本成果は、米国総合科学誌「Science」 2022年3月11日号に発表されました。
背景
ナノメートル（1 mmの100万分の1）サイズの分子を自在に動かして制御することを目指したナノマシン研究は、情報工学・バイオテクノロジーなど多分野に応用できる可能性があるため、世界中で研究が行われています。2000年代以降、DNAを遺伝情報としてではなく極めて小さな建築材料として利用し、望みの構造を設計・作製できるDNAナノテクノロジーが発展したものの、その構造物の上を速く自律的に動けるナノマシンを作ることができませんでした。マシンのサイズをここまで小さくすると、周囲の分子の熱運動による激しいノイズにさらされるため、既存の技術でナノマシンを制御するためには、外部から熱ノイズを圧倒するようなエネルギーを投入して逐一指令を与える必要があったからです。そこで注目したのが生物由来のナノマシンで、熱ノイズのわずか20倍程度のエネルギーを与えれば自ら一方向に動く「生物分子モーター」でした。
今回の成果
天然の生物分子モーターはタンパク質で作られており、自分の周りにあるエネルギー源となる物質を取り込み、荷物として様々な物質を目的の場所へと輸送することができます。しかし、そのシステムの複雑さから、細胞の外でこのシステムを模倣して制御することが困難でした。今回、生物分子モーターが動くレールとしてDNAナノチューブを採用し、新たな分子輸送システムを実現しました（図1参照）。
図1 Y字型のDNAナノチューブ上で二種類のナノマシンが「荷物」を仕分けている様子を描いた模式図
研究グループは、生物分子モーターであるダイニンにDNA結合タンパク質をつなぎ合わせることで、DNAに結合して自走するナノマシンを開発しました（図2参照）。さらに、このナノマシンがガラス基板上に敷設したレール上の「DNA塩基配列で書かれた命令」を読み取り、これらの命令の組合せで作られたプログラム（運動方向、速度など）のとおりに自走するための制御技術を確立しました（図3参照）。この技術により、高速道路のジャンクションのようにY字型に枝分かれしたDNAナノチューブの上で、複数種のナノメートルサイズの「荷物」を自動的に仕分けたり、逆に、それぞれの「荷物」を一か所に集めたりできる新たな分子輸送システムの構築に成功しました。
図2 ヒト細胞質ダイニンの微小管結合ドメインの代わりに、
ヒトや大腸菌、あるいは好熱性細菌のDNA結合タンパク質をつなぎ合わせることで新規ナノマシンを開発
図3 DNA塩基配列の向きと運動方向の関係
DNAナノチューブのレール上をプログラムどおりに自走するナノマシン
今後の展望
生物の情報処理システムは、膨大な組合せを高速に処理できることや、電子機器に比べて省エネであるなど、優れた部分を持つことが知られています。これを可能にしているのが生物分子モーターのようなナノマシンですが、多数のナノマシンから成る情報処理システムは非常に複雑なため、その原理の解明は進んでいません。このような場合、実際に生物ナノマシンを使って同様の装置を作ってみるような、構成的なアプローチが効果的です。
今回、生物分子モーターをベースにして制御可能なナノマシンを設計したことで、生物の情報処理システムを「作って理解する」ことが可能になり、将来的に、生物を模倣した次世代の情報処理システムの研究にブレークスルーをもたらすことが期待されます。
本研究の一部は、科研費・新学術領域「発動分子科学」18H05420の支援を受けたものです。
掲載論文
掲載誌: Science 2022年3月11日号
DOI: 10.1126/science.abj5170
URL: https://doi.org/10.1126/science.abj5170
掲載論文名: Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes
著者: 指宿良太、森下達矢、古田茜、中山慎太郎、吉雄麻喜、小嶋寛明、大岩和弘、古田健也
