(57)【要約】【課題】分子送信機からの情報分子の選択的放出と、分子受信機での情報分子の選択的受信を人為的に制御可能な分子通信システムを提供する。【解決手段】分子通信システム（１０）は、所定の情報が符号化された情報分子（４５）を送信する分子送信機（２０）と、前記情報分子を受信する分子受信機（３０）と、前記情報分子を前記分子送信機から前記分子受信機へ輸送する分子カプセル（４０）と、を含み、前記分子送信機、前記分子受信機、及び前記分子カプセルは、外部からの入力シグナルに応答する少なくとも１種類の分子スイッチ（２２、３２、４２）が埋め込まれた脂質二分子膜（２１、３１、４１）で構成され、外部からの入力シグナルを前記分子スイッチに作用させることにより、前記分子送信機と前記分子カプセル、及び前記分子カプセルと前記分子受信機の会合と離散を制御して、前記情報分子の送受信を行う。【選択図】図１
2008068347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の情報が符号化された情報分子を送信する分子送信機と、
前記情報分子を受信する分子受信機と、
前記情報分子を前記分子送信機から前記分子受信機へ輸送する分子カプセルと
を含む分子通信システムであって、
前記分子送信機、前記分子受信機、及び前記分子カプセルは、外部からの入力シグナルに応答する少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれた脂質二分子膜で構成され、
外部からの入力シグナルを前記分子スイッチに作用させることにより、前記分子送信機と前記分子カプセル、及び前記分子カプセルと前記分子受信機の会合と離散を制御して、前記情報分子の送受信を行うことを特徴とする分子通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の分子通信システムであって、
複数の分子受信機を含み、
前記分子受信機の各々は、分子受信機ごとに異なる固有の分子スイッチを有し、
前記分子カプセルには、前記情報分子の宛先となる分子受信機に対応する分子スイッチが埋め込まれている、
ことを特徴とする分子通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の分子通信システムであって、
複数の分子受信機を含み、
前記複数の分子受信機は１以上のグループを構成し、前記グループ毎に異なる固有の分子スイッチが割り当てられ、同一グループに属する前記分子受信機にはグループ固有の同一の分子スイッチが埋め込まれており、
前記分子カプセルには、前記情報分子の宛先となる分子受信機のグループに対応する分子スイッチが埋め込まれている、
ことを特徴とする分子通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載の分子通信システムであって、
各々が固有の分子スイッチを有する複数の分子受信機を含み、
前記複数の分子受信機は１以上のグループを構成し、前記グループ毎に異なる固有の分子スイッチが割り当てられ、同一グループに属する前記分子受信機にはグループ固有の同一の分子スイッチがさらに埋め込まれており、
前記分子カプセルには、前記情報分子の宛先となる分子受信機に対応する固有の分子スイッチと、前記情報分子の宛先となる分子受信機のグループに対応するグループの分子スイッチのうち、少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれている、
ことを特徴とする分子通信システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の分子通信システムであって、
前記分子送信機には、前記分子カプセルに埋め込まれている分子スイッチと同一の分子スイッチが埋め込まれていることを特徴とする分子通信システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の分子通信システムであって、
複数の分子送信機を含み、
前記複数の分子送信機の各々には、前記分子カプセルに埋め込まれている分子スイッチと同一の分子スイッチのうち、少なくとも１種類が埋め込まれていることを特徴とする分子通信システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の分子通信システムであって、
前記分子受信機は、人工受容体と酵素とで構成される人工シグナル伝達系を有し、
前記分子カプセルは、前記人工受容体の入力シグナルとなる情報分子を輸送し、
前記情報分子が前記分子受信機で受信され、前記人工受容体に作用することによって、前記酵素の活性が変化する
ことを特徴とする分子通信システム。
【請求項８】
所定の情報が符号化された情報分子を、分子カプセルにより分子送信機から分子受信機へ伝達する分子通信方法であって、
前記分子送信機、前記分子受信機、及び前記分子カプセルを、外部からの入力シグナルに応答する少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれた脂質二分子膜で構成し、
前記情報分子を前記分子カプセルで内包または分子カプセルの表面に固定し、
第１の入力シグナルを前記分子送信機と前記分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子送信機から前記分子カプセルを送出し、
第２の入力シグナルを前記分子受信機と前記分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子受信機と前記分子カプセルを会合させ、これによって前記情報分子の送受信を行うことを特徴とする分子通信方法。
【請求項９】
請求項８に記載の分子通信方法であって、
複数の分子受信機を用意し、前記複数の分子受信機の各々に、分子受信機ごとに固有の分子スイッチを埋め込み、
前記分子カプセルに、前記情報分子の宛先となる分子受信機に対応する分子スイッチを埋め込み、
前記第１の入力シグナルを、前記分子送信機の宛先分子受信機に対応する分子スイッチと、当該分子スイッチを介して会合している分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子送信機から前記分子カプセルを送出し、
前記第２の入力シグナルを、前記宛先分子受信機の分子スイッチと、前記分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子カプセルを受信させる
工程をさらに含むことを特徴とする分子通信方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の分子通信方法であって、
複数の分子受信機を用意し、前記複数の分子受信機で１以上のグループを構成し、前記グループ毎に固有の分子スイッチを割り当て、同一グループに属する前記分子受信機にグループ固有の同一の分子スイッチを埋め込み、
前記分子カプセルに、前記情報分子の宛先となる分子受信機のグループに対応する分子スイッチを埋め込み、
前記第１の入力シグナルを、前記分子送信機の宛先分子受信機のグループの分子スイッチと、当該分子スイッチと会合している分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子送信機から前記分子カプセルを送出し、
前記第２の入力シグナルを、前記宛先分子受信機のグループの分子スイッチと、前記分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子カプセルを受信させる
工程をさらに含むことを特徴とする分子通信方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の分子通信方法であって、
複数の分子受信機を用意し、各分子受信機に、分子受信機ごとに異なる固有の分子スイッチを埋め込み、
前記複数の分子受信機で１以上のグループを構成し、前記グループ毎に固有の分子スイッチを割り当て、同一グループに属する前記分子受信機にグループ固有の同一の分子スイッチをさらに埋め込み、
前記分子送信機に、前記情報分子の宛先となる分子受信機に対応する固有の分子スイッチと、前記情報分子の宛先となるグループに対応する分子スイッチとを埋め込み、
前記分子カプセルに、前記情報分子の宛先となる分子受信機に対応する固有の分子スイッチと、宛先となるグループに対応する分子スイッチのうち、少なくとも１種類の分子スイッチを埋め込み、
前記第１の入力シグナルを、前記分子送信機の宛先となる分子受信機に対応する分子スイッチと、当該分子スイッチと会合している分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子送信機から前記分子カプセルを送出し、
前記第２の入力シグナルを、前記宛先分子受信機の分子スイッチと、前記分子カプセルの分子スイッチに作用させて、前記分子カプセルを受信させる
工程をさらに含むことを特徴とする分子通信方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれかに記載の分子通信方法であって、
前記分子受信機に、人工受容体と酵素とで構成される人工シグナル伝達系を形成し、
前記分子カプセルに、前記人工受容体の入力シグナルとなる情報分子を輸送させ、
前記分子受信機で前記情報分子を受信することによって、前記酵素の活性を変化させる
工程をさらに含むことを特徴とする分子通信方法。
【請求項１３】
分子受信機に情報分子を送信する分子送信機であって、
人工細胞膜に、宛先となる分子受信機に固有の分子スイッチに対応する第１の分子スイッチと、宛先となるグループに含まれる分子受信機に与えられるグループ用の分子スイッチに対応する第２の分子スイッチのうち、少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれている
ことを特徴とする分子送信機。
【請求項１４】
情報分子を送受信する分子通信システムで用いられる分子受信機であって、
人工細胞膜に、前記分子受信機に固有の分子スイッチと、前記分子受信機が属するグループに与えられるグループ用の分子スイッチのうち、少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれ、
人工受容体と酵素で構成される人工シグナル伝達系を有する
ことを特徴とする分子受信機。
【請求項１５】
分子通信システムにおいて分子送信機と分子受信機の間で情報分子を輸送する分子カプセルであって、
前記情報分子を内包、あるいは表面に固定した状態で輸送する人工細胞膜に、前記分子受信機に固有の分子スイッチと、前記分子受信機が属するグループに与えられるグループ用の分子スイッチのうち、少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれている
ことを特徴とする分子カプセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広くは分子通信に関し、特に、脂質二分子膜によって構成される分子送受信機間で分子カプセルを用いて情報を伝達する分子通信システムと、分子通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報が符号化されたナノスケールの化学物質（分子）を情報伝達キャリアとして用い、分子の受容（受信）により生起される生化学的な反応に基づいてコミュニケーションを確立する分子通信技術が検討されている（例えば、非特許文献１および２参照）。
【０００３】
分子通信は、電磁波を情報伝達キャリアとする既存の通信技術と異なり、情報のみならず実体を有する分子そのものを伝達することで、非常に少ない消費エネルギーで短距離通信が行われる点に特徴がある。このような分子通信は、能力的・環境的な理由で電磁波を使用することができないナノスケールの機器間通信や、電子機器で構成・駆動されないバイオナノマシンの動作制御などへの適用が期待されている。
【０００４】
分子通信は、情報が符号化された情報分子を放出する分子送信機と、放出された情報分子が伝搬する分子伝搬環境と、分子伝搬環境中を伝搬してきた情報分子を取り込んで情報の復号化ならびに生化学作用の発現を行う分子受信機とで構成される。また、分子通信では、分子伝搬環境中に存在する分解酵素や温度、ｐＨ、光などの影響から情報分子を守るため、情報分子を分子カプセルに内包して伝搬することも検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００５】
なお、分子通信システムの構成要素の中で、分子送受信機としての基本機能を有しているものとして、生細胞が挙げられるが、その構造と動作は複雑であり、機能を人為的にデザインして人工的に制御することは困難である。
【非特許文献１】S. Hiyama, et al., "Molecular Communication," Proceedings on NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show 2005, vol.3, pp. 392-395, May 2005.
【非特許文献２】檜山他，「分子通信」，電子情報通信学会誌，vol.89, no.2, pp.162-166, 2006年2月．
【非特許文献３】Y. Moritani, et al, "Molecular Communication among Nanomachines Using Vesicles," Proceedings on NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show 2006, vol.2, pp. 705-708, May 2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような背景に基づき、本発明は、分子通信システムの構成要素を人工的に構築し、情報が符号化された情報分子の送受信と分子受信機で生じる生化学反応を人為的に制御可能な分子通信システムならびに分子通信方法を確立することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、
（１）脂質二分子膜によって構成される人工細胞膜に、光や温度、化学物質、pHなどの入力シグナルに応答する少なくとも１種類の分子スイッチを埋め込んだものを分子送信機、分子受信機、分子カプセルとして利用し、その入力シグナルを制御することにより、分子送信機と分子カプセル、および分子カプセルと分子受信機の会合と離散を制御する。
この場合、良好な構成例では、
（２）分子受信機の内面または外面に、人工受容体とエフェクターとしての酵素の機能を連結させた人工シグナル伝達系を構築し、情報分子の受信によって酵素活性のスイッチングを制御することで、分子受信機で生じる生化学反応を人為的に制御する。
【０００８】
より具体的には、分子通信システムは、所定の情報が符号化された情報分子を送信する分子送信機と、前記情報分子を受信する分子受信機と、前記情報分子を前記分子送信機から前記分子受信機へ輸送する分子カプセルと、を含み、
前記分子送信機、前記分子受信機、及び前記分子カプセルは、外部からの入力シグナルに応答する少なくとも１種類の分子スイッチが埋め込まれた脂質二分子膜で構成され、
外部からの入力シグナルを作用させることにより、前記分子送信機と前記分子カプセル、及び前記分子カプセルと前記分子受信機の会合と離散を制御して、前記情報分子の送受信を行う。
【０００９】
良好な実施例では、前記分子受信機は、人工受容体と酵素とで構成される人工シグナル伝達系を有し、前記分子カプセルは、前記人工受容体の入力シグナルとなる情報分子を輸送し、前記情報分子が前記分子受信機で受信され、前記人工受容体に作用することによって、前記酵素の活性が変化する。
【発明の効果】
【００１０】
分子通信システムの構成要素である分子送信機、分子受信機、分子カプセルを人工的に構築し、情報が符号化された情報分子の送受信を、光や温度、化学物質、ｐＨなどの入力シグナルによって、人為的に制御することができる。
【００１１】
分子受信機で生じる生化学反応を、情報分子の受信によって人為的に制御可能な分子通信システムならびに分子通信方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る分子通信システムの概念を説明するための概略図である。図１に示すように、分子通信システム１０は、分子送信機２０と、分子受信機３０Ａ、３０Ｂと、これらの間でやり取りされる分子カプセル４０Ａ、４０Ｂと、分子カプセルが伝搬する分子伝搬環境５０とを含む。分子カプセル４０Ａ、４０Ｂは、それぞれ情報が符号化された分子（情報分子）４５Ａ、４５Ｂを内包、あるいは表面に固定する。
【００１４】
分子送信機２０は、外部からの入力シグナルに応答する１種類以上の分子スイッチ２２が埋め込まれた人工細胞膜２１で構成されている。図１の例では、２種類の分子スイッチ２２Ａおよび２２Ｂが埋め込まれている。この人工細胞膜２１を、便宜上、巨大人工細胞膜と称する。
【００１５】
一般に、人工細胞膜は数十ｎｍ〜数十μｍまで様々な大きさのものを人工的に構築可能であり、生細胞膜の主要な構成要素であるリン脂質を用いる以外にも、合成脂質を用いても構築できることが知られている。例えば、脂質頭部間をシリカセラミックス類似のシロキサン結合で架橋することで、高い構造安定性を有する人工脂質二分子膜を作製することが可能である。その安定性は動的光散乱測定や示差走査熱量分析、走査型電子顕微鏡観察によって明らかにされている。これらの詳細については、例えば、P. Luigi, et al., "Giant Vesicles," ISBN:0471979864, John Wiley & Sons Inc., 2000や、K. Katagiri, et al., "Preparation of Organic-Inorganic Hybrid Vesicle "Cerasome" Derived from Artificial Lipid with Alkoxysilyl Head," Chemistry Letters, vol.28, no.7, pp.661-662, 1999、或いはK. Katagiri, et al., "Layered Paving of Vesicular Nanoparticles Formed with Cerasome as a Bioinspired Organic-Inorganic Hybrid," Journal of the American Chemical Society, 124, pp.7892-7893, 2002を参照されたい。
【００１６】
また、外部からの入力シグナルに応答する分子スイッチが、人工細胞膜に埋め込められることは公知であり、外部からの入力シグナルに応じて、分子スイッチが埋め込まれた人工細胞膜同士が会合したり、離散したりする性質を有することが知られている。その詳細は、例えば、S. Iwamoto, et al., "Gemini Peptide Lipids with Ditopic Ion-Recognition Site. Preparation and Functions as an Inducer for Assembling of Liposomal Membranes," Tetrahedron, 60, pp.9841-9847, 2004や、M. Otsuki, et al., "Liposomal Sorting onto Substrate through Ion Recognition by Gemini Peptide Lipids," Chemistry Letters, vol.35, no.2, pp.206-207, 2006を参照されたい。なお、外部からの入力シグナルとしては、光や温度、化学物質、ｐＨなどが利用可能である。
【００１７】
情報分子を輸送する分子カプセル４０Ａ、４０Ｂも、それぞれ人工細胞膜４１Ａ、４１Ｂで構成され、分子送信機２０と同様に、外部からの入力シグナルに応答する１種類以上の分子スイッチ４２Ａ、４２Ｂがそれぞれ埋め込まれている。この人工細胞膜を、便宜上、微小人工細胞膜と称する。図１では、分子スイッチ４２Ａのみが埋め込まれた分子カプセル４０Ａと、分子スイッチ４２Ｂのみが埋め込まれた分子カプセル４０Ｂを用いる例を示している。微小人工細胞膜４１Ａ、４１Ｂの作製や、外部からの入力シグナルに応答する分子スイッチ４２Ａ、４２Ｂの微小人工細胞膜４１Ａ、４１Ｂへの埋め込み技術は、上述した分子送信機２０と同様である。
【００１８】
分子カプセル４０Ａ、４０Ｂには、情報が符号化されたイオンやタンパク質などの情報分子４５Ａ、４５Ｂがそれぞれ内包、あるいは表面に固定されている。分子カプセル４０内にこれらの情報分子４５を内包する手法は様々考えられるが、最も簡単な手法は、分子カプセル４０を人工的に構築する際に、あらかじめ分子カプセル４０内に情報分子４５を入れておくことで実現できる。また、あらかじめ空の分子カプセル４０を構築し、分子カプセル４０に抗菌ペプチド溶液などの化学物質を作用させ、分子カプセル４０に微細孔を開けて情報分子４５を注入する手法も考えられる。
【００１９】
抗菌ペプチド溶液による分子カプセルの微細孔生成については、例えば、Y. Tamba, et al., "Single Giant Unilamellar Vesicle Method Reveals Effect of Antimicrobial Peptide Magainin 2 on Membrane Permeability," Biochemistry, vol.44, pp.15823-15833, 2005を参照されたい。また、情報分子４５を分子カプセル４０の表面に固定化するには、例えば、結合の形成や切断が容易な共有結合や、静電相互作用、配位結合、水素結合、疎水性相互作用などの非共有結合的相互作用を利用して、分子カプセル４０を構成する微小人工細胞膜４１に情報分子４５と結合する分子を埋め込んだり、情報分子４５を人工細胞膜表面４１に結合したりすればよい。
【００２０】
情報分子４５を内包あるいは表面に固定した分子カプセル４０を、分子送信機２０に会合させた状態（送信待機状態）にしたり、選択的に送信したりするには、外部からの入力シグナルに応じて、分子スイッチが埋め込まれた特定の人工細胞膜同士が会合したり、離散したりする性質を利用することで実現できる。
【００２１】
例えば、分子スイッチ２２Ａ、４２Ａが、外部からの入力シグナルとしての光に反応するアゾベンゼン基をスペーサ部位に有するジェミニペプチド脂質であり、分子スイッチ２２Ｂ、４２Ｂが、外部からの入力シグナルとしての化学物質に反応する擬クラウンエーテルをスペーサ部位に有するジェミニペプチド脂質であるとする。この場合、この系に紫外光（ＵＶ）を照射し、銅イオン（Ｃｕ2+）を添加することで、分子送信機２０の表面に分子カプセル４０Ａおよび分子カプセル４０Ｂを会合させることができる。
【００２２】
図２に、紫外線の照射と銅イオンの添加により、分子送信機２０の表面に１つの分子カプセル４０Ａと１つの分子カプセル４０Ｂが会合している様子を示す。この状態で、この系に可視光（ＶＩＳ）を照射すると、図３Ａに示すように、分子送信機２０の表面に会合していた分子カプセル４０Ａのみを離散させることができる。この結果、分子送信機２０から分子カプセル４０Ａのみが分子伝搬環境５０へ放出される。
【００２３】
一方、図２の状態で、この系にカリウムイオン（Ｋ+）などのアルカリ金属イオンを添加すると、図３Ｂに示すように、分子送信機２０の表面に会合していた分子カプセル４０Ｂのみを離散させることができる。この結果、分子送信機２０から分子カプセル４０Ｂのみが分子伝搬環境５０へ放出される。
【００２４】
なお，図２の状態で，この系にエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）などのキレート剤を添加すると、図３Ｃに示すように、分子送信機２０の表面に会合していた全ての分子カプセル４０Ａ、４０Ｂを離散させることができる。この結果、分子送信機２０から全ての分子カプセル４０Ａ、４０Ｂが分子伝搬環境５０へ放出される。
【００２５】
以上の例では，外部からの入力シグナルである光や化学物質に反応する分子スイッチ２２、４２を用いた例を示したが、この他にも温度やｐＨなどを外部からの入力シグナルとして反応する分子スイッチを用いることも可能である。例えば、温度であれば、二分子膜がゲル状態と液晶状態との間を相転移する温度差を利用して、０℃から１００℃までの範囲でこの系の温度を上下させることで、分子送信機２０と分子カプセル４０との間の会合・離散を可逆的に行わせることができる。また、ｐＨであれば、ｐＨ３〜ｐＨ９程度の範囲でこの系のｐＨ値を上下させることで、分子送信機２０と分子カプセル４０との間の会合・離散を可逆的に行わせることができ、所望の分子カプセル４０を選択的に分子送信機２０から離脱させて、分子伝搬環境５０へ放出することができる。
【００２６】
図１に戻って、分子送信機２０から放出された分子カプセル４０は、情報分子４５を内包あるいは表面に固定した状態で、水溶液で構成される分子伝搬環境５０を分子受信機３０まで拡散伝搬する。なお、分子カプセルの伝搬方法は拡散伝搬に限定されず、例えば、分子送信機２０と分子受信機３０の間に形成した流路を流れる水流のフローに乗って伝搬されるような形態であってもよい。
【００２７】
分子受信機３０も、人工細胞膜３１に、外部からの入力シグナルに応答する１種類以上の分子スイッチ３２が埋め込まれたものであり、図１には分子スイッチ３２Ａのみが埋め込まれた分子受信機３０Ａと、分子スイッチ３２Ｂのみが埋め込まれた分子受信機３０Ｂの例を示している。
【００２８】
人工細胞膜の作製や、外部からの入力シグナルに応答する分子スイッチの人工細胞膜への埋め込み技術は、分子送信機２０と同様であるが、分子受信機３０Ａ、３０Ｂの各々において、人工細胞膜３１の内側表面には、人工受容体３３とエフェクターとしての酵素３４の機能を連結させたGタンパク質共役型類似の人工シグナル伝達系が構築されている。人工細胞膜３１上に、人工受容体３３と酵素３４の機能を連結させた人工シグナル伝達系を構築できることは知られており、その詳細は、例えば、J. Kikuchi, et al., "An Artificial Signal Transduction System. Control of Lactate Dehydrogenase Activity Performed by an Artificial Cell-surface Receptor," Chemistry Letters, vol.28, no.3, pp.253-254, 1999、又はW.-J. Tian, et al., "Switching of Enzymatic Activity through Functional Connection of Molecular Recognition on Lipid Bilayer Membranes," Supramolecular Chemistry, vol.17, pp.113-119, 2005を参照されたい。
【００２９】
情報分子４５Ａ、４５Ｂをそれぞれ内包あるいは表面に固定した状態で伝搬してきた分子カプセル４０Ａ、４０Ｂは、分子スイッチが埋め込まれた特定の人工細胞膜同士が外部からの入力シグナルに応じて会合する性質を利用して、選択的に分子受信機３０Ａ、３０Ｂで受信される。
【００３０】
図４Ａでは、分子カプセル４０Ａのみが分子受信機３０Ａで受信される。この例では、図２と同様に、分子スイッチ３２Ａ、４２Ａが外部からの入力シグナルとしての光に反応するアゾベンゼン基をスペーサ部位に有するジェミニペプチド脂質であり，分子スイッチ３２Ｂ、４２Ｂが外部からの入力シグナルとしての化学物質に反応する擬クラウンエーテルをスペーサ部位に有するジェミニペプチド脂質である。この系に紫外光を照射することで、分子受信機３０Ａの表面に分子カプセル４０Ａのみを選択的に会合させることができる。
【００３１】
図４Ｂでは、分子カプセル４０Ｂのみが分子受信機３０Ｂで受信される。図４Ａと同じ分子スイッチ構造を採用する系に銅イオン（Ｃｕ2+）を添加すると、分子受信機３０Ｂの表面に分子カプセル４０Ｂのみを選択的に会合させることができる。
【００３２】
なお、利用する分子スイッチは、外部から入力する人為的なシグナルに応じて離散と会合が可能であればよいので、上記の例以外にも、温度やｐＨなどの外部入力シグナルに反応する任意の分子スイッチを用いることが可能である。
【００３３】
以上のように、脂質二分子膜によって構成される人工細胞膜に分子スイッチを埋め込んだものを、分子送信機２０、分子受信機３０、分子カプセル４０として利用することで、光や温度、化学物質、ｐＨなどを利用して、情報分子４５を内包あるいは表面に固定した分子カプセル４０を分子送信機２０から選択的に送信させ、分子受信機３０において選択的に受信可能な分子通信システムを構築することができる。
【００３４】
なお、上記の例では、１つの分子送信機２０と２つの分子受信機３０Ａ、３０Ｂが存在する環境で、分子受信機３０Ａ、３０Ｂがそれぞれ異なる分子スイッチ３２Ａ、３２Ｂを持っており、分子送信機２０から情報分子を送信する際に、各分子受信機３０Ａ、３０Ｂに対応する分子スイッチ４２Ａ、４２Ｂを埋め込まれた分子カプセル４０Ａ、４０Ｂを利用して、各分子受信機３０Ａ、３０Ｂにそれぞれ情報分子４５Ａ、４５Ｂを伝達するユニキャスト通信を実現する分子通信システム１０の形態について説明した。しかし、本発明によって実現される分子通信システムの形態は、このようなユニキャスト通信に限られるものではなく、マルチキャスト通信、ブロードキャスト通信も実現可能である。
【００３５】
マルチキャスト通信は、各分子受信機に固有の分子スイッチを埋め込むのではなく、複数の分子受信機を含むグループに対して、同じ分子スイッチを埋め込むことによって実現される。ブロードキャスト通信は、全ての分子受信機に対して同じ分子スイッチを埋め込むことによって容易に実現される。また、ユニキャスト通信とマルチキャスト通信、ブロードキャスト通信を同時に実現するためには、各分子受信機のみが持つ分子スイッチと、同一のグループに属する分子受信機が持つ分子スイッチと、全ての分子受信機が持つ分子スイッチを全て埋め込むことで実現される。
【００３６】
また、分子カプセルに複数種類の分子スイッチを埋め込むことで、入力シグナルによって異なる分子受信機に届くように設計することも可能である。具体的には、分子カプセル４０に、分子受信機Ｒ１〜R３に埋め込まれたそれぞれ異なる分子スイッチＳ１〜Ｓ３を全て埋め込んで利用する。この場合、分子スイッチＳ１の離散と会合を制御する外部からのシグナルが入力された場合は分子受信機Ｒ１に、分子スイッチＳ２の離散と会合を制御する外部からのシグナルが入力された場合は分子受信機Ｒ２に、分子スイッチＳ３の離散と会合を制御する外部からのシグナルが入力された場合は分子受信機Ｒ３に、情報分子を内包又は表面に固定する分子カプセルをそれぞれ伝搬する分子通信システムを実現することができる。
【００３７】
また、分子カプセルに埋め込む分子スイッチとして、あるグループに属する全ての分子受信機が持つ分子スイッチや、システム内の全ての分子受信機が持つ分子スイッチを埋め込むことで、ユニキャスト通信、マルチキャスト通信、ブロードキャスト通信の全てに利用できる分子カプセルとすることも可能である。また、本発明の説明では、分子送信機は単一としたが、複数の分子送信機が存在してもよい。
【００３８】
図５Ａおよび図５Ｂは、分子カプセル４０Ａ、４０Ｂがそれぞれ分子受信機３０Ａ、３０Ｂで受信された後の、情報分子４５Ａ、４５Ｂの取り込み工程を示す図である。分子カプセル４０と分子受信機３０が会合した後は、分子カプセル４０に内包あるいは固定された情報分子４５は、分子受信機３０の内部へと取り込まれる。その方法は様々考えられるが、例えば、ＤＮＡ鎖を融合誘起剤として用いることで、分子カプセル４０と分子受信機３０とを融合し、情報分子４５を分子受信機３０の内部へ取り込むことが考えられる。
【００３９】
ＤＮＡ鎖を融合誘起剤とした人工細胞膜同士の融合は、例えば、K.Matsui, et al., "Cerasome as an Infusible, Cell-Friendly, and Serum-Compatible Transfection Agent in a Viral Size," Journal of the American Chemical Society, 128, pp.3114-3115, 2006. を参照されたい。なお、脂質頭部間がシリカセラミックス類似のシロキサン結合で架橋されている人工脂質二分子膜を分子受信機として使用する場合には、リン脂質などを配合することで分子受信機表面にドメイン（ラフト）構造を形成し、このドメイン構造を有する箇所でＤＮＡ鎖を融合誘起剤とした分子カプセルと分子受信機の融合を生じさせればよい。
【００４０】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、情報分子４５Ａ、４５Ｂがそれぞれ分子受信機３０Ａ、３０Ｂの内部へ取り込まれると、分子受信機３０Ａ、３０Ｂの内側膜表面上に構築された、人工シグナル伝達系３６Ａ、３６Ｂをそれぞれスイッチングする。人工シグナル伝達系３６は、人工受容体３３とエフェクターとしての酵素３４の機能を連結させたGタンパク質共役型類似の人工シグナル伝達系である。すなわち、入力シグナルとして人工受容体３３に特異的認識能を示すイオンなどの情報分子４５を選び、また、メディエータとして人工受容体３３と酵素３４の両者に認識能を持つ銅イオンなどの金属イオンを選び、さらに、人工受容体３３のメディエータ認識能が入力シグナルの有無で大きく変化するように人工シグナル伝達系３６の構成要素を分子設計しておくことで、酵素３４の信号増幅を情報分子４５で制御することができる。
【００４１】
以上のように、分子受信機３０の内部へ取り込んだ情報分子４５が、分子受信機３０の内側膜表面に構築した人工受容体３３と酵素３４の人工シグナル伝達系３６の入力シグナルとなることで、情報の復号化ならびに生化学作用の発現を行うことが可能な分子受信機３０を実現することができる。
【００４２】
なお、分子受信機３０の内側膜表面に構築する人工シグナル伝達系３６は、１つに限らず、同一分子受信機３０に複数の人工受容体３３や酵素３４を固定化し、複数の人工シグナル伝達系３６のスイッチングを制御する構成としてもよい。また、分子受信機３０に構築される人工シグナル伝達系３６は、分子受信機３０の人工細胞膜３１の内側表面上に限定されず、分子受信機３０の人工細胞膜３１の外側表面に構築されていてもよい。分子受信機３０の外側膜表面上に人工シグナル伝達系３６が構築される場合、分子カプセル４０と分子受信機３０とが会合した際に膜同士の引力が強くなるように設計しておき、かつ膜の強度も適切に設定しておくことで、分子カプセル４０を変形させて破裂させ、情報分子４５を取り出す。あるいは、前出の分子カプセルの微細孔生成に関する文献（Y. Tamba, et al., Biochemistry, vol.44, 2005）に記載のように、分子カプセル４０に抗菌ペプチドを作用させて分子カプセル４０に微細孔を形成し、分子カプセル４０中の情報分子４５を漏出させることにより、人工シグナル伝達系３６の入力シグナルとすることができる。なお、人工シグナル伝達系３６が分子受信機３０の外側膜表面上に構築されており、情報分子４５が分子カプセル４０の表面に固定されている場合は、分子カプセル４０と分子受信機３０とが会合するだけで、人工シグナル伝達系３６のスイッチングを行うことができる。
【００４３】
以上より、情報分子４５の受信によって、分子受信機３０で生じる生化学反応を人為的に制御可能な分子通信システムならびに分子通信方法が提供される。
【００４４】
なお、上述した実施形態では、分子送信機２０ならびに分子受信機３０は球状の人工細胞膜２１、３１として説明したが，分子送信機２０ならびに分子受信機３０の形状は球状に限らず、内側と外側を隔離できる構造をしていれば任意の形状をとることができる。例えば、断面コの字型の収容体の開口部分が脂質二分子膜で覆われた構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る分子通信システム１０の概略構成図である。
【図２】図１の分子通信システムで、分子送信機２０表面への分子カプセル４０Ａ、４０Ｂの会合を説明する図である。
【図３Ａ】分子送信機２０からの分子カプセル４０Ａの放出例を示す図である。
【図３Ｂ】分子送信機２０からの分子カプセル４０Ｂの放出例を示す図である。
【図３Ｃ】分子送信機２０からの分子カプセル４０Ａおよび４０Ｂの同時放出の例を示す図である。
【図４Ａ】図１の分子通信システムで、分子カプセル４０Ａの分子受信機３０Ａでの選択的受信を示す図である。
【図４Ｂ】図１の分子通信システムで、分子カプセル４０Ｂの分子受信機３０Ｂでの選択的受信を示す図である。
【図５Ａ】分子カプセル４０Ａの受信後の、分子受信機３０Ａ内への情報分子４５Ａの取り込みを示す図である。
【図５Ｂ】分子カプセル４０Ｂの受信後の、分子受信機３０Ｂ内への情報分子４５Ｂの取り込みを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  分子通信システム
２０  分子送信機
２１、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ  人工細胞膜
２２Ａ、３２Ａ、４２Ａ  分子スイッチＡ
２２Ｂ、３２Ｂ、４２Ｂ  分子スイッチＢ
３０Ａ、３０Ｂ  分子受信機
３３Ａ、３３Ｂ  人工受容体
３４Ａ、３４Ｂ  酵素
３６Ａ、３６Ｂ  人工シグナル伝達系
４０Ａ、４０Ｂ  分子カプセル
４５Ａ、４５Ｂ  情報分子
５０  分子伝搬環境
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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