(57)【要約】【課題】生体の生化学プロセスと親和性を持ち、生体内での使用が容易な、生体分子による論理回路を提供する。【解決手段】  論理回路を構成するナノスピンドル構造体１４０は、上面及び底面を有する円錐台形状を有し、上面１５２から底面１５４に向かう方向に沿って配列された複数のナノチューブ構造体１６０を含む。ナノチューブ構造体１６０は、上面１５２から底面１５４に近づくにしたがって数が多くなるように配列されている。ナノチューブ構造体の電流ガイド部材は、上面又は底面に露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材に接続され、上面に露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材と、底面に露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材とは、電気的に接続されている。複数のナノチューブ構造体の、生体反応の制御物資のための供給機構は互いに連通している。【選択図】      図５
2007243723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体分子によるシグナル伝達のメカニズムにより電流を制御するナノチューブ構造体を用いて電子回路を構成するための、生体分子による論理回路デバイスであって、
前記ナノチューブ構造体は、シグナル伝達のための生体化学反応を行なう物質を格納するマイクロリアクタと、前記マイクロリアクタに、前記生体化学反応を制御するための制御物質を供給する供給機構と、前記マイクロリアクタ内において生ずる生体化学反応により生じる電子の移動に応じて、電子を前記マイクロリアクタ内から収集したり前記マイクロリアクタ内に供給したりするための電流ガイド部材とを含み、前記電流ガイド部材は所定の軸に沿って配置され、
前記論理回路デバイスは、上面及び底面を有する截頭錐形状を有し、
前記上面から前記底面に向かう方向に前記所定の軸が沿うように配列された複数のナノチューブ構造体を含み、
前記複数のナノチューブ構造体は、前記上面から前記底面に近づくにしたがって、数が多くなるように前記截頭錐形状内に配列されており、
前記複数のナノチューブ構造体の前記電流ガイド部材は、前記上面又は底面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材に電気的に接続されており、かつ前記上面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材と、前記底面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材とは、電気的に接続されており、かつ、
前記複数のナノチューブ構造体の前記供給機構は互いに連通している、論理回路デバイス。
【請求項２】
前記生体化学反応は、第１の方向の反応と、前記第１の方向の反応の逆反応である第２の方向の反応とからなる可逆反応であり、
前記制御物質は、前記第１の方向の反応を促進する第１の制御物質と、前記第２の方向の反応を促進する第２の制御物質とからなる、請求項１に記載の論理回路デバイス。
【請求項３】
前記第１の方向の反応は、前記マイクロリアクタ内に電子を放出するものであり、前記第２の方向の反応は、前記マイクロリアクタ内の電子を消費するものであり、
前記上面に露出された一端を有するナノチューブ構造体の、当該一端の前記電流ガイド部材には入力配線が接続され、
前記論理回路デバイスはさらに、
前記入力配線上の電流値が論理０に相当するものであることを検出して、前記第１の制御物質を前記マイクロリアクタ内に供給するように前記供給機構を制御するための第１の制御手段と、
前記入力配線上の電流値が論理１に相当するものであることを検出して、前記第２の制御物質を前記マイクロリアクタ内に供給するように前記供給機構を制御するための第２の制御手段とを含む、請求項２に記載の論理回路デバイス。
【請求項４】
前記生体化学反応を行なう物質は、ＧＴＰ（グアノシン５’−三リン酸）結合型たんぱく質と、当該ＧＴＰ結合型たんぱく質のＧＴＰ−ＧＤＰ（グアノシン５’−二リン酸）置換反応を受けてシグナル伝達を行なう物質とを含み、
前記制御物質は、前記ＧＴＰ結合型たんぱく質に対するＧＥＦ（ＧＤＰ−ＧＴＰ交換因子）及びＧＡＰ（ＧＴＰアーゼ活性化たんぱく質）を含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の論理回路デバイス。
【請求項５】
前記マイクロリアクタは、キナーゼカスケードを形成するキナーゼを含み、
前記制御物質は、前記キナーゼカスケードの先頭のキナーゼを活性化させるキナーゼ活性化物質及び前記先頭のキナーゼを不活性化させるホスファターゼを含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の論理回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は生体分子を用いて論理回路を設計する分子回路技術に関し、特に、シグナル伝達物質の活性化又は不活性化に伴う電流の発生を用いて論理回路を設計する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノスケールの電子デバイスを用いて生体分子を検出する技術が非特許文献１に開示されている。この技術では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて作成したカーボンナノチューブにより作成された電界効果トランジスタ（ＮＴＦＥＴ）を使用して、生体の生化学プロセスに関するリアルタイム監視を行なっている。こうした監視は、新薬を開発したり、ある種の病気の治療法を探ったりする上で極めて有効である。
【非特許文献１】Ｇ．グリューナ、「研究の主眼：２．ナノスケール電子デバイスを用いた生体分子の検出」、http://www.physics.ucla.edu/research/biophysics/research/focus.htm（G.  Gruener，”Research  Focus:  2.  Detection  of  biomolecules  using  nano-scales  electronic  devices”）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した技術では、カーボンナノチューブを使用している。しかし、カーボンナノチューブの生成プロセスを適切に制御するのは難しい。一方、生体の生化学プロセスに関するリアルタイム監視のみならず、生体に対する操作を行なうための一手段として、ナノバイオマシンと呼ばれるものが研究されている。ナノバイオマシンは、文字通り、生体反応を用いて動作する極めて小さな機械である。
【０００４】
ナノバイオマシンの設計及びテストにおいては、何らかの論理回路が必要とされる。そのための回路技術として、上記したカーボンナノチューブを用いることも可能であるが、より生体内の反応に密接な関係を持つデバイスがあれば、生体内の反応をより早く検知し、確認することができる。しかし現在のところ、そのようなデバイスについての報告はない。
【０００５】
それゆえに本発明の目的は、生体の生化学プロセスと親和性を持ち、生体内での使用が容易な生体分子による論理回路デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る論理回路デバイスは、生体分子によるシグナル伝達のメカニズムにより電流を制御するナノチューブ構造体を用いて電子回路を構成するための、生体分子による論理回路デバイスである。ナノチューブ構造体は、シグナル伝達のための生体化学反応を行なう物質を格納するマイクロリアクタと、マイクロリアクタに、生体化学反応を制御するための制御物質を供給する供給機構と、マイクロリアクタ内において生ずる生体化学反応により生じる電子の移動に応じて、電子をマイクロリアクタ内から収集したりマイクロリアクタ内に供給したりするための電流ガイド部材とを含む。電流ガイド部材は所定の軸に沿って配置される。論理回路デバイスは、上面及び底面を有する截頭錐形状を有し、上面から底面に向かう方向に所定の軸が沿うように配列された複数のナノチューブ構造体を含む。複数のナノチューブ構造体は、上面から底面に近づくにしたがって、数が多くなるように截頭錐形状内に配列されている。複数のナノチューブ構造体の電流ガイド部材は、上面又は底面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材に電気的に接続されており、かつ上面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材と、底面に一端が露出したナノチューブ構造体の電流ガイド部材とは、電気的に接続されており、かつ複数のナノチューブ構造体の供給機構は互いに連通している。
【０００７】
この論理回路デバイスでは、制御物質をマイクロリアクタに供給することにより、マイクロリアクタ内の生体分子に所定の生体化学反応が生じる。この生体化学反応により、例えば電子などの電荷が発生したり、消費されたりする。この電荷の発生及び消費に伴う電荷の移動が電流ガイド部材によって収集され、電流が生じる。従って、生化学反応に伴って電流を生じさせることができ、生化学反応を電気的な信号として検出するための論理回路を構成できる。その結果、生体の生化学プロセスと親和性を持ち、生体内での使用が容易な生体分子による論理回路を提供できる。
【０００８】
好ましくは、生体化学反応は、第１の方向の反応と、第１の方向の反応の逆反応である第２の方向の反応とからなる可逆反応であり、制御物質は、第１の方向の反応を促進する第１の制御物質と、第２の方向の反応を促進する第２の制御物質とからなる。
【０００９】
生体化学反応が可逆反応であることから、第１の制御物質と第２の制御物質とを適宜与えることでこの論理回路を繰返して使用できる。また、これらにより生ずる反応が逆反応であることから、電流の向きを逆にしたり、発生した電流を停止させたりすることが可能である。従って、論理回路を構成するのに適している。
【００１０】
さらに好ましくは、第１の方向の反応は、マイクロリアクタ内に電子を放出するものであり、第２の方向の反応は、マイクロリアクタ内の電子を消費するものである。上面に露出された一端を有するナノチューブ構造体の、当該一端の電流ガイド部材には入力配線が接続される。論理回路デバイスはさらに、入力配線上の電流値が論理０に相当するものであることを検出して、第１の制御物質をマイクロリアクタ内に供給するように供給機構を制御するための第１の制御手段と、入力配線上の電流値が論理１に相当するものであることを検出して、第２の制御物質をマイクロリアクタ内に供給するように供給機構を制御するための第２の制御手段とを含む。
【００１１】
入力配線上の電流値が論理０に相当するものであることが検出されると、第１の制御物質がマイクロリアクタに供給される。この供給により生じる反応のため、マイクロリアクタ内には電子が放出される。この電子が電流ガイド部材に収集されて電流が生じる。入力配線上の電流値が論理１に相当するものであることが検出されると、第２の制御物質がマイクロリアクタに供給される。この供給により生じる反応のため、マイクロリアクタ内では電子が消費される。このため、電流ガイド部材を介して外部から供給される電子が消費され、その結果先の電流とは逆の方向への電流が生じる。この電流の向き又は大きさによって論理値を表すことにより、入力電流の論理値に対する論理演算を行なうことができる。
【００１２】
生体化学反応を行なう物質は、ＧＴＰ結合型たんぱく質と、当該ＧＴＰ結合型たんぱく質のＧＴＰ−ＧＤＰ置換反応を受けてシグナル伝達を行なう物質とを含み、制御物質は、ＧＴＰ結合型たんぱく質に対するＧＥＦ及びＧＡＰを含んでもよい。
【００１３】
生体化学反応を行なう物質は、キナーゼカスケードを形成するキナーゼを含み、制御物質は、キナーゼカスケードの先頭のキナーゼを活性化させるキナーゼ活性化物質及び先頭のキナーゼを不活性化させるホスファターゼを含んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に説明する実施の形態は、生体分子によるシグナル伝達のメカニズムを用いて電流を制御する、生体物質ナノチューブ構造体（以下単に「ナノチューブ構造体」と呼ぶ。）を用いた論理回路デバイスに関連する。このナノチューブ構造体は、たんぱく質のリン酸化反応・脱リン酸化反応を制御することによって、キナーゼ／ホスファターゼによる反応から取出す電流を制御する。最初に、このナノチューブ構造体について説明し、その後にこのナノチューブ構造体を用いた論理回路デバイスについて説明する。
【００１５】
＜ナノチューブ構造体の構成＞
図１に、本発明の実施の形態で用いるナノチューブ構造体の外観斜視図を示し、図２に図１の２−２断面における断面図を示す。なお以下の実施の形態では、培養基としては、日本国の大学の分子生物学研究室においてよく使用される細胞を用いる。典型的にはＭＤＣＫ（Ｍａｄｉｎ−Ｄａｒｂｙ  Ｃａｎｉｎｅ  Ｋｉｄｎｅｙ）エピセリウム細胞を用いる。これは上皮細胞である。
【００１６】
図１及び図２を参照して、このナノチューブ構造体３０は、円筒型のガラス容器３２と、ガラス容器３２の内面に形成された、キナーゼ（たんぱく質リン酸化酵素）／ホスファターゼ（リン酸化されたたんぱく質を元に戻す脱リン酸化反応を触媒する因子）を含む生体のシグナル伝達分子を含む培養基からなるナノチューブ（以下「キナーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３４と、キナーゼナノチューブ３４の内面に形成された、同じく生体シグナル伝達分子を含む培養基からなるマイクロリアクタ３６と、マイクロリアクタ３６の内面に形成された、ＧＴＰ結合型たんぱく質及びＧＴＰアーゼ（Ｇｕａｎｏｓｉｎｅ  Ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ）を含んだ生体たんぱく質を含む培養基からなるナノチューブ（以下「ＧＴＰアーゼナノチューブ」と呼ぶ。）３８と、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８の内面に形成された培養基からなるマイクロリアクタ４０と、マイクロリアクタ４０の内面に形成された、ポルフィリン金属錯体のナノワイアにより形成されたナノチューブ（以下「ポルフィリンナノチューブ」と呼ぶ。）４２と、ポルフィリンナノチューブ４２の内面に設けられた円筒型の内部ガラス面４４とを含む。
【００１７】
ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合型たんぱく質に結合したＧＴＰを加水分解してＧＤＰと無機リン酸（Ｐｉ）を生成する反応において触媒となる酵素である。ＧＴＰアーゼは、ＧＴＰ結合型たんぱく質の活性を制御するという重要な機能を持つ。
【００１８】
ＧＴＰ結合型たんぱく質は、ＧＴＰ結合型分子（以下「ＧＴＰ結合型」）とＧＤＰ結合型分子（以下「ＧＤＰ結合型」）との二つの形態をとる。この間の反応は可逆反応である。
【００１９】
ＧＴＰ結合型たんぱく質に結合したＧＤＰをＧＴＰに交換する反応を促進する因子として、ＧＥＦが知られている。ＧＥＦによりＧＤＰ結合型はＧＴＰ結合型に変化する。一般的に、ＧＴＰ結合型はシグナル伝達の下流の標的分子に対して活性を示す。
【００２０】
一方、ＧＤＰ結合型は不活性を示す。ＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化は、ＧＴＰアーゼにより行なわれる。ＧＴＰアーゼは一般の生体物質内に広く存在し、たんぱく質に内在する。従って、活性となったＧＴＰ結合型はやがて不活性化する。一般的に、ＧＴＰアーゼの活性（ＧＴＰ結合型たんぱく質のＧＴＰ結合型からＧＤＰ結合型への変化を促進する活性）は、ＧＡＰにより促進されることが知られている。
【００２１】
ＧＥＦ／ＧＡＰとしては多様なものが知られている。ここでは、培養基の生体分子として使用するたんぱく質に対し有効なものを使用する。
【００２２】
再び図１及び図２を参照して、ナノチューブ構造体３０はさらに、それぞれマイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を通り、マイクロリアクタ３６及びマイクロリアクタ４０を介してＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のＧＴＰ結合型たんぱく質の活性及び不活性を制御するためにＧＥＦ又はＧＡＰを投入するための中空でかつ周囲に多数の小径が形成されたパイプ５０及び５２と、後述するように、キナーゼナノチューブ３４内のキナーゼ／ホスファターゼによる反応で発生する電子の流れをポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリンを介して検知し、反応により発生する電子を収集したり、反応により消費される電子を供給したりするための電流ガイド５４とを含む。
【００２３】
なお、上記したように、キナーゼ／ホスファターゼにより制御されるシグナル伝達のためのたんぱく質からなるナノチューブ構造体３０は、以下のようにして作成できる。まず、キナーゼ／ホスファターゼ、ＧＴＰアーゼを含む生体分子をそれぞれイン・ビートロでナノワイア状に作成し、それぞれ円筒形状に整形する。このときには、これら物質が持つ自己組織化能力を利用する。この結果、キナーゼナノチューブ３４とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とが作成される。この二つのチューブの間に存在する生体分子によりマイクロリアクタ３６が形成される。
【００２４】
一方、これとは別に、現在のバイオ化学の技術を用い、ポルフィリンによるナノチューブ型の構造（ポルフィリンナノチューブ４２）を作成する。ＧＴＰアーゼナノチューブ３８のさらに内側に、マイクロリアクタ４０を構成する生体分子と電流ガイド５４とを間に挟んでこのポルフィリンナノチューブ４２を挿入して張合わせる。こうして、ナノチューブ構造体３０が形成される。
【００２５】
なお、マイクロリアクタ４０とＧＴＰアーゼナノチューブ３８とでシグナル伝達物質であるＧＴＰ結合型たんぱく質を含む一つのマイクロリアクタが形成されており、マイクロリアクタ３６とキナーゼナノチューブ３４とにより、ＧＴＰ結合型たんぱく質によるシグナル伝達の下流の標的分子を含むもう一つのマイクロリアクタが形成されていると考えることができる。また、マイクロリアクタ３６及び４０のいずれにも、ＧＴＰ結合型たんぱく質をはじめ、シグナル伝達経路を構成する種々の生体物質が含まれていることはいうまでもない。
【００２６】
キナーゼナノチューブ３４及びＧＴＰアーゼナノチューブ３８については、イン・ビートロでなく、イン・ビーボで作成してもよい。また、本明細書でナノチューブと呼ぶときには、厚さ１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜形状のものを想定している。
【００２７】
＜ナノチューブ構造体の動作＞
図３はＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。図４はナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【００２８】
図１〜図４を参照して、上記した構成を持つナノチューブ構造体３０は以下のように動作する。パイプ５０及びパイプ５２に例えばＧＥＦが供給されるものとする。図３を参照して、例えばパイプ５２中を流れる矢印６２で示されるようにＧＥＦはパイプ５２の周囲に形成された小径を介してマイクロリアクタ内に入り、さらに図３において矢印６０で示すようにＧＴＰアーゼナノチューブ３８内のナノワイア状のＧＴＰ結合型たんぱく質６４を活性化する。
【００２９】
図４を参照して、ＧＴＰ結合型たんぱく質６４はＧＥＦ９４により活性化する。すなわち、ＧＤＰ結合型からＧＴＰ結合型に転換される。その結果、マイクロリアクタ３６内では、キナーゼナノチューブ３４内の、このたんぱく質の標的分子を含むシグナル伝達分子複合体１０４内のキナーゼ８０がリン酸化され、活性化される。このようにシグナル伝達経路の下流において活性化したキナーゼは、キナーゼカスケード８２を介してさらに下流のキナーゼをリン酸化し、この過程で伝達されるシグナルが増幅される。
【００３０】
このリン酸化の過程では、多数の電子１００が発生される。これら電子はマイクロリアクタ３６、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８及びマイクロリアクタ４０を通ってポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリン金属錯体９８により収集される。ポルフィリン金属錯体９８は低エネルギの光合成機能があり、この過程で電子を収集するためである。ポルフィリン金属錯体９８はさらに、ポルフィリンの自己組織化によってナノワイア形状となっており、さらにそれらワイアによりポルフィリンナノチューブ４２が形成されている。これらナノワイアは、ポルフィリン金属錯体９８の内部に存在する金属のために導電性となっている。従って、ポルフィリンナノチューブ４２には電子が集積され、これらを電流ガイド５４から電流１２０として取出すことができる。
【００３１】
一方、ＧＴＰアーゼナノチューブ３８に矢印６２で示されるようにＧＡＰを供給するものとする。ＧＥＦにより活性化されたＧＴＰ結合型のたんぱく質は、通常はその内部に存在するＧＴＰアーゼにより自然にＧＤＰ結合型となり不活性化される。しかし、このようにＧＡＰが外部から供給されることにより、さらに速やかに不活性化する。ＧＴＰ結合型たんぱく質の活性でリン酸化されたキナーゼ８０も同様にホスファターゼ９０により脱リン酸化され不活性化する。この際、ポルフィリンナノチューブ４２中の電子がこれら反応により消費される（１０２）。その結果、ポルフィリンナノチューブ４２からの電流の取出しはできなくなる。
【００３２】
こうして、パイプ５０及びパイプ５２にＧＥＦ／ＧＡＰを供給することにより、ＧＴＰ結合型たんぱく質の活性化１１０・不活性化１１２を制御し、さらにそのターゲット因子であるキナーゼ８０の活性化／不活性化を制御する。この反応により、ポルフィリンナノチューブ４２を流れる電流を制御することができる。
【００３３】
なお、上記説明では、ＧＴＰアーゼナノチューブとキナーゼナノチューブとの双方を含むナノチューブ構造体であって、ＧＥＦ／ＧＡＰを投入してＧＴＰアーゼの活性化／不活性化を制御することにより、キナーゼまで含めたシグナル伝達によって電流を制御している。しかし、ＧＴＰアーゼナノチューブを含まないナノチューブ構造体を作成することも可能であることはいうまでもない。この場合、図１に示す構成からＧＴＰアーゼナノチューブ３８及びマイクロリアクタ４０を取り除き、パイプ５０及び５２を、キナーゼナノチューブ３４内に配置する。そしてパイプ５０及び５２に、ＧＥＦ／ＧＡＰではなく、マイクロリアクタ４０内のキナーゼカスケードの先頭のキナーゼを活性化するための物質（たとえば他のキナーゼ又はセカンドメッセンジャー）及び不活性化するための物質（ホスファターゼ）を投入するようにすればよい。この場合のキナーゼ／ホスファターゼによる反応も可逆反応である。
【００３４】
以下、ＧＴＰアーゼを用いたナノチューブ構造体をＧＴＰアーゼナノ構造体、ＧＴＰアーゼを用いないナノチューブ構造体をキナーゼナノ構造体と呼ぶことにする。
【００３５】
上に説明したナノチューブ構造体は、見かけ上、電流の経路、すなわち電気的配線と同様のものと見ることができる。ただし、その電流の量は投入されるＧＥＦ／ＧＡＰ又はキナーゼ／ホスファターゼの量により制御される。
【００３６】
＜ナノチューブ構造体を用いた回路＞
上記したナノチューブ構造体を用いて、種々の論理回路を設計し作成することができる。以下、基本的な論理回路として、ＮＯＴ（反転）回路、ＡＮＤ回路及びＯＲ回路を上記したナノチューブ構造体により作成する場合の構成について説明する。なお、これら基本的な論理回路を作成できれば、これらの組合せにより任意の論理回路を設計することができる。
【００３７】
最初に、これら回路の基本となる、ナノチューブ構造体により作成されたナノスピンドル構造体について説明する。ナノスピンドル構造体は、それ自身増幅器としての機能を持ち、上記した論理回路の基本となる単位である。
【００３８】
−ナノスピンドル構造体−
ナノスピンドル構造体の概略構成を図５に示す。図５を参照して、ナノスピンドル構造体１４０は、長さの異なる多数のナノチューブ構造体１６０を束ねて構成した、側面１５０、上面１５２及び底面１５４を有する円錐台（截頭直円錐）形状を持つ。本実施の形態では、底面１５４には、ほぼ上面１５２の面積と同じ面積の開口部１５６が形成されている。ナノスピンドル構造体１４０の内部のナノチューブ構造体１６０は、前述したとおり多数種類の長さを有しており、長いものが中心部に、短いものが周辺部に、中間の長さのものは中間部に、それぞれ配置され、それらが全体として円錐台形状を構成するように配列されている。その結果、ナノチューブ構造体１６０は、上面から底面に近づくにしたがって数が多くなるように円錐台内に配列されている。
【００３９】
本実施の形態では、全てのナノチューブ構造体１６０の一端は底面１５４に配置されている。最も長いナノチューブ構造体１６０のうち一部のものの他端は上面１５２まで達している。それ以外のナノチューブ構造体１６０の他端は、ナノスピンドル構造体１４０の内部にあり、それによって上記したようなナノスピンドル構造体１４０の円錐台形状が構成されている。
【００４０】
ナノスピンドル構造体１４０を構成するナノチューブ構造体１６０の間では、図１に示すパイプ５０及び５２と、電流ガイド５４とが相互に接続されている。最終的には、全てのナノチューブ構造体１６０の電流ガイド５４は上面１５２及び底面１５４に露出しているナノチューブ構造体１６０のいずれかの電流ガイド５４に接続されている。また全てのナノチューブ構造体１６０のパイプ５０及び５２は、キナーゼ又はホスファターゼの図示しない注入口に接続され、連通している。
【００４１】
このナノスピンドル構造体は電流の増幅器としての機能を持つが、それについては図８を参照して後述する。
【００４２】
−組合せスピンドル構造体−
図６に、ナノスピンドル構造体１４０と、同様の構成を持つナノスピンドル構造体１８０とからなる組合せスピンドル構造体の形状を示す。図６を参照して、ナノスピンドル構造体１８０は、本実施の形態ではナノスピンドル構造体１４０と全く同じ形状及び大きさを持ち、ナノスピンドル構造体１８０の上面１８２がナノスピンドル構造体１４０の底面の開口部１５６に、ナノスピンドル構造体１４０の上面１５２がナノスピンドル構造体１８０の底面の開口部１８４に、それぞれちょうど配置されるようにナノスピンドル構造体１４０と組合される。図５に示すように、各ナノスピンドル構造体が多数のナノチューブ構造体１６０によって構成されているため、このような組合せ方が可能となる。
【００４３】
この組合せスピンドル構造体は種々の論理回路の基礎となる機能を持つが、それについては図９以下を参照して後述する。
【００４４】
なお、以下の説明では、図５に示すナノスピンドル構造体１４０を図７（Ａ）に示す三角形のシンボルで、図６に示す組合せスピンドル構造体を図７（Ｂ）に示す二つの三角形を組合せたシンボルで、それぞれ表す。また以下の説明では、三角形の底辺が右を向いたものを右向きのナノスピンドル構造体、三角形の底辺が左を向いたものを左向きのナノスピンドル構造体と呼ぶ。ナノスピンドル構造体の向きをこのように呼ぶのは、前述のようにナノスピンドル構造体は電流の増幅器としての機能を持ち、その場合の増幅の向きが、三角形の頂点側から底辺側に向かうものだからである。
【００４５】
図７（Ａ）を参照して、ナノスピンドル構造体２００を表す三角形の頂点側の配線２０２は、ナノスピンドル構造体２００の上面に接続された配線を表し、底辺側の配線２０４は、ナノスピンドル構造体２００の底面に接続された配線を現す。
【００４６】
図７（Ｂ）を参照して、組合せスピンドル構造体２２０を表すシンボルの配線２２２は、左向きのナノスピンドル構造体の底面及び右向きのナノスピンドル構造体の上面に接続されている。配線２２４は、左向きのナノスピンドル構造体の上面及び右向きのナノスピンドル構造体の底面に接続されている。なお、以下の実施の形態では、組合せスピンドル構造体２２０を構成するナノチューブ構造体は、いずれもキナーゼナノ構造体であるものとする。
【００４７】
これらの入力及び出力は回路内での配置により異なってくる。
【００４８】
−増幅機能−
図８に、図７（Ａ）に示すナノスピンドル構造体２００を増幅器として使用する場合のデバイス配置を示す。図８を参照して、右向きのナノスピンドル構造体２００の上面に接続された配線２０２上に、配線２０２上の電流の大きさを検出し、その大きさにしたがった量のキナーゼ２３２をナノスピンドル構造体２００に投入するための電流検出器２３０が設けられる。
【００４９】
電流検出器２３０が配線２０２上に電流を検出すると、その大きさに応じた量のキナーゼ２３２がナノスピンドル構造体２００内のナノチューブ構造体に投入される。ナノスピンドル構造体２００内のキナーゼカスケードにより、ナノスピンドル構造体２００内でキナーゼが連鎖的にリン酸化され、投入されたキナーゼの量に応じ、キナーゼカスケードにより増幅された量の電子が発生する。それら電子がポルフィリンナノチューブ４２内のポルフィリンを介して電流ガイド５４により検知され、収集されてナノスピンドル構造体２００の底面側から配線２０４に出力される。
【００５０】
配線２０２上の電流が大きいと、ナノスピンドル構造体２００に投入されるキナーゼの量が多くなり、キナーゼカスケードのために多数の電子が発生して配線２０４上に出力される。一方、配線２０２上の電流が小さければ、ナノスピンドル構造体２００に投入されるキナーゼの量は少なくなり、配線２０４上の電流値は減少するが、キナーゼカスケードのためにその電流量は配線２０２上の電流の大きさよりも大きい。
【００５１】
すなわち、図８の構成は電流の増幅器としての機能を持つ。
【００５２】
また、同様の構成でホスファターゼを投入することにより、逆方向の電流を発生させたり、電流を停止させたりすることが可能であることはいうまでもない。
【００５３】
−ＮＯＴ回路−
図９に、ＮＯＴ回路を構成するデバイス配置を示す。図９を参照して、この配置では配線２２２が組合せスピンドル構造体２２０への入力配線であり、配線２２４が組合せスピンドル構造体２２０からの出力配線である。
【００５４】
配線２２２上には、配線２２２上の電流があるしきい値未満（例えばこの状態が論理０を表すものとする。）であればキナーゼ２４２をスピンドル構造体２２０に投入するための第１の電流検出器２４０と、配線２２２上の電流が前述したしきい値以上（この状態が論理１を表すものとする。）であればホスファターゼ２４６をスピンドル構造体２２０に投入するための第２の電流検出器２４４とを含む。
【００５５】
配線２２２上の電流の値がしきい値未満（論理０）だと、第１の電流検出器２４０がキナーゼを組合せスピンドル構造体２２０に投入する。その結果、配線２２２上の電流は組合せスピンドル構造体２２０の右向きナノスピンドル構造体により増幅され、配線２２４上には増幅された電流が現れる。この値をしきい値と比較することにより、出力として論理１が得られる。
【００５６】
配線２２２上の電流の値がしきい値以上（論理１）だと、第２の電流検出器２４４がホスファターゼ２４６を組合せスピンドル構造体２２０に投入する。この投入により組合せスピンドル構造体２２０内のキナーゼの脱リン酸化が起こり、配線２２４上に出力される電流の大きさは減少する。この値をしきい値と比較することにより、論理０が配線２２４上に現れる。なおこのとき、配線２２２からの電子は右向きナノスピンドル構造体内での脱リン酸化反応により消費される。
【００５７】
すなわち、配線２２２上の電流値が論理０のときに配線２２４上に論理１が現れ、配線２２２上の電流値が論理１のときに配線２２４上に論理０が現れる。従って、図９に示す配置により、ＮＯＴ回路が実現できる。
【００５８】
なお、図９に示すように組合せスピンドル構造体２２０を用いた回路では、入力及び出力を逆転させることもできる。ただしその場合、第１の電流検出器２４０及び第２の電流検出器２４４と同様のブロックを出力配線２２４の部分に配置する必要がある。また、どちらが入力でどちらが出力かによって、第１の電流検出器２４０及び第２の電流検出器２４４からなる二組の電流検出器のうち、いずれを使用するかを定める必要がある。
【００５９】
−ＡＮＤ回路−
図１０は、ＡＮＤ回路２６０を実現する配置を示す。図１０を参照して、ＡＮＤ回路２６０は、入力配線２８２に接続されたＮＯＴ回路２８０と、入力配線２９２に接続されたＮＯＴ回路２９０と、ＮＯＴ回路２８０の出力２８４及びＮＯＴ回路２９０の出力２９４を受けて加算するための加算器３００と、加算器３００を所定のしきい値ＴＨ１と比較して比較結果を出力するための比較回路３０２と、比較回路３０２の出力に接続された入力を持つＮＯＴ回路３０４とを含む。比較回路３０２は、入力される電流の値がしきい値ＴＨ１未満であれば論理０に相当する電流を、しきい値ＴＨ１以上であれば論理１に相当する電流を、それぞれ出力する。本実施の形態では、しきい値ＴＨ１は、ＮＯＴ回路２８０からの出力電流値及びＮＯＴ回路２９０からの出力電流値がともに論理０に相当する値のときの電流値よりも大きく、いずれか一方のみの出力電流値が論理１に相当する値のときの電流値よりも小さく選ばれる。便宜的にこれを０＜ＴＨ１＜１と表すものとする。
【００６０】
入力配線２８２及び入力配線２９２上の電流値がいずれも論理０であるものとする。出力２８４及び２９４上の電流値はいずれも論理１となる。加算器３００の出力値は論理１と論理１との和となるが、便宜的にこの電流量を「２」と表現する。すると、２＞ＴＨ１であるから、比較回路３０２の出力は論理１、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理０となる。
【００６１】
入力配線２８２上の電流値が論理１、入力配線２９２上の電流値が論理０であるものとする。出力２８４は論理０、出力２９４は論理１、加算器３００の出力は論理１となる。１＞ＴＨ１であるから、比較回路３０２の出力は論理１、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理０となる。これは、入力配線２８２と入力配線２９２とが逆の場合も同様である。
【００６２】
入力配線２８２上の電流値及び入力配線２９２上の電流値がいずれも論理１であるものとする。出力２８４及び２９４はいずれも論理０、加算器３００の出力も論理０、０＜ＴＨ１であるから比較回路３０２の出力は論理０、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理１となる。
【００６３】
以上の入力配線２８２及び２９２上の値と、ＮＯＴ回路３０４の出力との関係を表で示すと以下のとおりとなる。
【００６４】
【表１】
2007243723.tif 000003
従って、図１０に示す配置によりＡＮＤ回路が構成できる。
【００６５】
−ＯＲ回路−
図１１に、ＯＲ回路３２０の回路構成を示す。ＯＲ回路３２０は、図１０に示すＡＮＤ回路２６０とほぼ同じ構成であるが、比較回路３０２に代えて、加算器３００の出力する電流値を所定のしきい値ＴＨ２と比較して比較結果をＮＯＴ回路３０４に与えるための比較回路３３０を含んでいる。しきい値ＴＨ２は、前述の記法を使用すると１＜ＴＨ２＜２となるように選ばれる。
【００６６】
入力配線２８２及び入力配線２９２上の電流値がいずれも論理０であるものとする。出力２８４及び２９４上の電流値はいずれも論理１となる。加算器３００の出力値は２となる。２＞ＴＨ２であるから、比較回路３３０の出力は論理１、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理０となる。
【００６７】
入力配線２８２上の電流値が論理１、入力配線２９２上の電流値が論理０であるものとする。出力２８４は０、出力２９４は論理１、加算器３００の出力は論理１となる。１＜ＴＨ２であるから、比較回路３３０の出力は論理０、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理１となる。これは、入力配線２８２と入力配線２９２とが逆の場合も同様である。
【００６８】
入力配線２８２上の電流値及び入力配線２９２上の電流値がいずれも論理１であるものとする。出力２８４及び２９４はいずれも論理０、加算器３００の出力も論理０、０＜ＴＨ２であるから比較回路３３０の出力は論理０、従ってＮＯＴ回路３０４の出力は論理１となる。
【００６９】
以上の入力配線２８２及び２９２上の値と、ＮＯＴ回路３０４の出力との関係を表で示すと以下のとおりとなる。
【００７０】
【表２】
2007243723.tif 000004
従って、図１１に示す配置によりＯＲ回路が構成できる。
【００７１】
以上のように本実施の形態によれば、ナノチューブ構造体、ナノチューブ構造体を組合せたナノスピンドル構造体、さらにナノスピンドル構造体を組合せた組合せスピンドル構造体により、ＮＯＴ回路、ＡＮＤ回路、及びＯＲ回路を構成できる。そして、これらを組合せることにより、任意の論理回路を作成できる。
【００７２】
その結果、本実施の形態によれば、生体の生化学プロセスと親和性を持ち、生体内での使用が容易な論理回路デバイスを提供することができる。
【００７３】
また、上記した実施の形態によれば、ポルフィリンを用いた「分子回路」及び関連の分子デバイス（「分子ウェア」）を設計したり、制御したりすることが容易になり、ナノエレクトロニクスの分野に幅広く応用することができる。
【００７４】
上記実施の形態では、回路を構成するナノスピンドル構造体として、キナーゼナノ構造体を用いている。しかし、キナーゼナノ構造体に代えて、ＧＴＰアーゼナノ構造体を用いてナノスピンドル構造体を作成してもよいことはいうまでもない。また、ＮＯＴ回路の作成などにおいて、一方のナノスピンドル構造体にキナーゼナノ構造体、他方のナノスピンドル構造体にＧＴＰアーゼナノ構造体を用いるようにしてもよい。
【００７５】
なお、上記実施の形態では、ナノスピンドル構造体１４０は截頭直円錐形状を有しているが、この形状に限定されるわけではない。截頭錐形状であれば、截頭直線錐ではない一般の円錐台形状でもよいし、截頭方錐であってもよい。すなわち、上面から底面に向けて面積が増加するような形状であって、底面に平行な面内のナノチューブ構造体の数が、上面から底面にむけてほぼ単調増加するように、ナノチューブ構造体が配置されたものであればよい。
【００７６】
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、分子回路を用いて生化学プロセスを監視したり制御したりする技術、及びたんぱく質の振舞いを研究することにより薬品を設計したりする技術に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施の形態で用いられるナノチューブ構造体３０の外観斜視図である。
【図２】図１に示すナノチューブ構造体３０の一点鎖線２に沿った断面の断面図である。
【図３】ＧＴＰアーゼナノチューブ３８に対するＧＥＦ／ＧＡＰの供給態様を示す図である。
【図４】ナノチューブ構造体３０の動作原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るナノスピンドル構造体の概観と構造の一部とを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る組合せスピンドル構造体の概観と構造の一部とを示す斜視図である。
【図７】ナノスピンドル構造体及び組合せスピンドル構造体を表すシンボルを示す図である。
【図８】ナノスピンドル構造体を用いた増幅器の構成を示す図である。
【図９】組合せスピンドル構造体を用いたＮＯＴ回路の構成を示す図である。
【図１０】組合せスピンドル構造体を用いたＡＮＤ回路の構成を示す図である。
【図１１】組合せスピンドル構造体を用いたＯＲ回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
３０，１６０  ナノチューブ構造体
３２  ガラス容器
３４  キナーゼナノチューブ
３６，４０  マイクロリアクタ
３８  ＧＴＰアーゼナノチューブ
４２  ポルフィリンナノチューブ
４４  内部ガラス面
５０，５２  パイプ
５４  電流ガイド
６４  ＧＴＰ結合型たんぱく質
８０  キナーゼ
８２  キナーゼカスケード
９０  ホスファターゼ
９８  ポルフィリン金属錯体
１０４  シグナル伝達分子複合体
１４０，１８０，２００  ナノスピンドル構造体
２２０  組合せスピンドル構造体
２３０，２４０，２４４  電流検出器
２６０  ＡＮＤ回路
２８０，２９０，３０４  ＮＯＴ回路
３０２，３３０  比較回路
３２０  ＯＲ回路
【図１】
2007243723.tif 000005
【図２】
2007243723.tif 000006
【図３】
2007243723.tif 000007
【図４】
2007243723.tif 000008
【図５】
2007243723.tif 000009
【図６】
2007243723.tif 000010
【図７】
2007243723.tif 000011
【図８】
2007243723.tif 000012
【図９】
2007243723.tif 000013
【図１０】
2007243723.tif 000014
【図１１】
2007243723.tif 000015