(57)【要約】【課題】論理ゲートとして機能するシステム及びクオラムセンシングを示すシステムを提供する。【解決手段】  このシステムは、少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイス、少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイス、少なくとも１つの入力及び少なくとも１つの出力を含み、核酸折り紙デバイスが非免疫原性及び/又は核酸分解酵素に耐性がある。【選択図】図４A
2016522807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
論理ゲートとして機能するシステムであり、前記システムが、少なくとも１つのエフェクタデバイス、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力を含み、
前記少なくとも１つの及び前記少なくとも１つのレギュレータデバイスの各々１つは、長鎖と複数の短鎖とを含み、独立して構造A,B,又はCを有する核酸折り紙デバイスであり、
前記構造Aにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む結合相手に結合可能な(a)アプタマー領域、他の前記少なくとも１つのDNA結合タンパク質を結合可能な(b)オリゴヌクレオチド、又は(c) 前記少なくとも１つのさらに他の入力を含む電磁場を受容可能なナノアンテナに付着されたオリゴヌクレオチドのいずれかを含み、又は前記短鎖の１つが、(a) のアプタマー領域を含み、他の前記短鎖が、(c) のオリゴヌクレオチドを含み、
(ii) 前記短鎖の他の鎖が、(a) の前記アプタマー領域若しくは(b) 又は(c)の前記オリゴヌクレオチドにハイブリダイズ又は結合されたラッチ領域を含み、前記ラッチ領域配列は、前記結合相手が前記ラッチ領域を置換するように、(a)の前記アプタマー領域が前記結合領域に結合可能なように選択され、又は前記ラッチ領域が前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、前記ラッチ領域が、第１の条件下で第１の構成を有し、別の第２の条件下で第２の構成を有するように選択された結合相手に結合され、(a)の前記アプタマー領域又は(b)の前記オリゴヌクレオチドが、前記第１の構成を有する前記結合相手に結合できるが、前記結合相手が前記第１の構成から前記第２の構成に遷移したとき、前記ラッチ領域が、(a)の前記アプタマー領域又は(b)の前記オリゴヌクレオチドから除去されるように、前記第２の構成を有する前記結合相手に結合できず、又は(c)のナノアンテナが前記電磁場を受けると、誘導結合を受け、その後加熱され、これにより前記ラッチ領域を(c)の前記オリゴヌクレオチドから除去し、
(iii) 互いにハイブリダイズ又は結合されたとき、(a)の前記アプタマー領域又は(b) 又は(c)の前記オリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が、前記デバイスを閉構成に保持し、前記アプタマー領域又は前記オリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が、互いにハイブリダイズ又は結合されていないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Bにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む第１の結合相手に結合可能な第１のアプタマー領域を含み、
(ii)
前記短鎖のもう１つが、前記少なくとも１つの入力の他の１つを含む第２の結合相手に結合可能な第２のアプタマー領域を含み、
(iii)
前記短鎖のさらにもう１つが、前記第１のアプタマー領域にハイブリダイズされた第１のラッチ領域を含み、前記第１のラッチ領域配列は、前記第１の結合相手が前記第１のラッチ領域を置換するように、前記第１のアプタマー領域が前記第１の結合相手に結合可能なように選択され、又は前記第１のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(iv) 前記短鎖のなおもう１つが、前記第２のアプタマー領域にハイブリダイズされた第２のラッチ領域を含み、前記第２のラッチ領域配列が、前記第２の結合相手が前記第２のラッチ領域を置換するように、前記第２のアプタマー領域が前記第２の結合相手に結合可能であるように選択され、又は前記第２のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(v)前記第１のアプタマー領域が前記第１のラッチ領域にハイブリダイズしたとき、及び/又は前記第２のアプタマー領域が前記第２のラッチ領域とハイブリダイズしたとき、前記核酸折り紙デバイスが閉構成にあり、前記第１のアプタマー領域が前記第１のラッチ領域にハイブリダイズされていないとき、及び前記第２のラッチ領域が前記第２のラッチ領域にハイブリダイズされてないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Cにおいて、
(i)
前記短鎖の２つの鎖が、各々外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合されたラッチ領域を含み、前記外部オリゴヌクレオチドが、前記核酸折り紙デバイスの他の１つに位置しており、
(ii)外部オリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能な前記オリゴヌクレオチドの各々１つが、前記外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされていないとき、前記核酸折り紙デバイスが開構成にあり、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジンング可能な前記オリゴヌクレオチドの両方が前記が外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされたとき、前記デバイスが閉構成に遷移し、
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスが、アルキル化、アシル化、又はヒドロキシル化され、又は二重鎖核酸の大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な化合物と相互作用するため、核酸分解酵素に対し耐性があり、及び/又は
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び前記少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスは、TLR9認識配列が欠如し、又は前記核酸折り紙デバイスの前記TLR9認識配列がマスク又は修飾されるため、前記核酸折り紙デバイスが非免疫原性であることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記核酸折り紙デバイスの各々１つが、非免疫原性であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記核酸折り紙デバイスの各々１つが、核酸分解酵素に対し耐性があることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記核酸折り紙デバイスの各々１つが、非免疫原性及び核酸分解酵素耐性両方であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記核酸がDNAであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記核酸折り紙デバイスの各々１つが、メチル化、好適にはCpGジヌクレオチドであること特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
二重核酸の前記大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な前記化合物が、ネトロプシン、ジスタマイシン、オリゴアミド、糖オリゴアミド接合体、又はビスアミヂンから選択されること特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記化合物が、ネトロプシンであり、前記ネトロプシンが、その末端アミノ基、任意にリンカーを介して、前記二重鎖核酸にさらに共有結合されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの核酸折り紙デバイスの１つ以上のさらなる短鎖が、各々任意にリンカーを介して、ペイロードに結合されたハンドル領域を含み、前記ペイロードの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの出力の１つであり、任意に前記ペイロードの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの入力の１つ、又は前記少なくとも１つの入力をエミュレートすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記リンカーが、前記ハンドル領域の前記配列に相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドを含み、任意に酵素切断認識部位を含むさらなる領域を含み、前記ペイロードが、前記ハンドル領域への前記オリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションにより前記ハンドル領域に結合されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記さらなる領域が、細胞外マトリックス分解酵素等のプロテアーゼによる切断のプロテアーゼ認識部位を含むペプチドリンカーを含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記リンカーが、パラセタモールを結合可能なシクロオキシゲナーゼタンパク質、テトロドトキシンを結合可能なナトリウムチャンネルサブユニット、及びジゴキシンを結合可能な抗ジゴキシン抗体等の小分子を結合可能なタンパク質を含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ペイロードは、各々独立してインスリン、抗体又はその断片、細胞表面受容体リガンド又はその生物学的に活性な断片、小分子、オリゴヌクレオチド等の核酸分子、核酸分解酵素、アプタマー、脂質、多糖、タンパク質、糖タンパク質、糖脂質、ナノ粒子、フルオロフォア、放射性化合物、ナノアンテナ、又はリポソーム等の薬物であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ナノアンテナが、各々独立して金属量子ドット、金属ナノ粒子、又は金属ナノ結晶を含み、前記金属が好適には金であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、前記ペイロードの少なくとも１つが前記核酸折り紙デバイスの内面に位置するように選択され、前記開構成に遷移することにより前記ペイロードを前記核酸折り紙デバイスの外面に位置させることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
少なくとも１つの前記核酸折り紙デバイスの前記短鎖の１つは、前記デバイスが閉構成にあるとき、前記デバイスの外面に位置したハンドル領域を含み、前記開構成に遷移することにより前記ペイロードを前記核酸折り紙デバイスの内面に位置させることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ハンドル領域が、オリゴヌクレオチド又はリポソームから選択されたペイロードに結合されていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つを含む前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが、(i) ほぼ樽形であるように選択され、(ii) ほぼ六角形チューブ形を有し、(iii)１つ又は２つの開放端、(i)と(iii)の組み合わせ、又は(ii)と(iii)の組み合わせ(iv)を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
(i) 前記構造A又はBを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、前記第１の領域が、各々結合相手に結合可能な(a)の前記アプタマー領域又は各々DNA結合タンパク質を結合可能な(b)のオリゴヌクレオチド、又は各々ナノアンテナに付着された(c)の前記オリゴヌクレオチドを含み、及び前記第２の領域が前記ラッチ領域を含み、
前記第１の領域の第１の端部が、少なくとも１つの単一鎖核酸ヒンジ(hinge)により前記第２の領域の第１の端部に付着され、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記ラッチ領域への前記アプタマー領域又はオリゴヌクレオチドの各々１つのハイブリダイゼーション又は結合によりそれぞれ前記第２の領域の前記第２の端部に付着され、
(ii)前記構造Cを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、前記第１の領域と前記第２の領域の各々１つが、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合された前記ラッチ領域の１つを含み、
前記第１の領域の第１の端部が、少なくとも１つの単一鎖核酸ヒンジにより前記第２の領域の第１の端部に付着され、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記第２の領域の前記第２の端部に付着されていないことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
(i)前記構造A又はBを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つの前記複数の短鎖は、前記アプタマー領域の各々１つが、その各々の結合相手により接触された場合、及び/又は前記ナノアンテナの各々１つが、電磁場を受け、誘導結合を受け、その結果発熱する場合、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記第２の領域の前記第２の端部に付着されないように選択され、
(ii)前記構造Cを有する前記核酸折り紙デバイス少なくとも１つの前記複数の短鎖は、前記ラッチ領域の各々１つが前記外部オリゴヌクレオチドの異なる１つにハイブリダイズされた場合、前記第１の領域の前記第２の端部が前記第２の領域の前記第２の端部に付着されるように選択されることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記結合相手の各々１つが、独立して腫瘍関連抗原、細胞膜受容体、分泌又は膜結合成長因子、ホルモン、サイトカイン、リガンド、ケモカイン、細菌、ウィルス又は寄生虫抗原、脂質、オリゴヌクレオチド、糖、シグナル分子、酵素、又はDNA結合タンパク質から選択される抗原であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記酵素はグルコキナーゼであり、(a)の前記アプタマー領域は、前記第１の構成を有する前記グルコキナーゼに結合可能であるが、前記第２の構成を有する前記グルコキナーゼに結合できず、又は前記DNA結合タンパク質はグルコース応答因子であり、(b)の前記オリゴヌクレオチドは、前記第１の構成を有する前記グルコース応答因子に結合可能であるが、前記第２の構成を有する前記グルコース応答因子に結合できないグルコース応答調節配列であることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１の条件は、0〜4.5mMの範囲のグルコース濃度であり、前記第２の条件は、5 〜10mMの範囲のグルコース濃度であることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び１つの出力に結合された１つ以上のハンドル領域を有する１つのエフェクタデバイスを含み、前記エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記出力が第１の出力状態を有し、前記エフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有することを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の出力状態が論理オフ状態に対応し、前記第２の出力状態が論理オン状態に対応することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ゲートが２つの入力を含み、両方の入力が存在しない場合、論理オン状態にある論理NANDゲートであることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Cを有し、最初に開構成にあり、
(ii) 前記レギュレータデバイスが、前記構造Bを有し、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能な単一分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、前記負レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズされたとき、前記ゲートが論理オン状態にあり、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成へ遷移することを防止できることを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ゲートが１つの入力を含み、前記入力が存在しない場合、論理オン状態にある論理NOTゲートであることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、
(i)前記エフェクタデバイスが前記構造Cを有し、最初に開構成にあり、
(ii)前記レギュレータデバイスが、前記構造Aを有し、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能な単一分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、前記負レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記入力が存在するとき開構成に遷移し、
前記シグナル分子が、前記負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズするとき、前記ゲートが論理オン状態にあり、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成へ遷移することを防止できることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ゲートが、２つの入力を含み、前記２つの入力の少なくとも１つが存在する場合、論理オン状態にある暗黙的論理ORゲートであることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項３１】
１つのエフェクタデバイスと２つのレギュレータデバイスと含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、
(ii) 前記２つのレギュレータデバイスの前記第１のデバイスが、前記構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記２つの入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第１の正レギュレータデバイスが、最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iii) 前記２つのレギュレータデバイスの前記第２のデバイスが、前記構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジンズさせることで、前記２つの入力の前記第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第２の正レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第２の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が、前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つの入力が、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、  
前記第１の入力及び前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ前記アプタマー領域に最初にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブルダイズし、
前記第２の入力及び前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ前記アプタマー領域に最初にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第２の正のレギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズすることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ゲートが、２つの入力を含み、前記２つの入力の１つのみが存在する場合、論理オン状態にある排他的論理OR (XOR)ゲートであることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項３３】
１つのエフェクタデバイスと３つのレギュレータデバイスを含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、
(ii) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第１の入力が、前記構造Aを有する第１の正レギュレータデデバイスであり、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第１の正レギュレータデバイスが最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iv) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第２のデバイスが、前記構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第２の正レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第２の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(v) 前記３つのレギュレータデバイスの第３のデバイスが、前記構造Bを有する負レギュレータデバイスであり、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含み、前記負レギュレータデバイスが最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの外面に位置し、
前記２つの入力及び第１の正レギュレータデバイスが、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、又は、
前記第２の入力及び前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子がそれぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、
前記両方の入力が存在するとき、前記２つの入力が、ぞれぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換し、前記負レギュレータデバイスの前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズし、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成に遷移するのを防止できるように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合するとき、前記ゲートが論理オン状態にあることを特徴とする請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び２つの出力に結合されたそれぞれ１つ以上のハンドル領域を有する２つのエフェクタデバイスを含み、
前記２つの出力の前記第１の出力が、前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスが、閉構成にあるとき、第１の出力状態を有し、前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有し、
前記２つの出力の前記第２の出力が、前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のデバイスが閉構成にあるとき、第１の出力状態を有し、前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のデバイスが開構成のとき、第２の出力状態を有することを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１の出力状態の各々１つが、論理オフ状態に対応し、前記第２の出力状態の各々１つが、論理オン状態に対応していることを特徴とする請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記ゲートが、２つの入力と２つの出力とを含む論理制御NOTゲートであり、前記２つの入力の１つのみが存在する場合、前記第１の出力が論理オン状態にあり、前記２つの入力又は両方の入力のいずれかの前記第１の入力のみが存在する場合、前記第２の出力が論理オン状態にあることを特徴とする請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記システムが、２つのエフェクタデバイスと４つのレギュレータデバイスとを含み、
(i) 前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスは、前記構造Bを有し、最初に閉構成にあり、前記両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、
(ii) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第１のデバイスは、前記構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第１の正レギュレータデバイスは、最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iii) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第２のデバイスは、前記構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングすることで、前記２つの入力の前記第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第２の正レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第２の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iv) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第３のデバイスが、前記構造Bを有する負レギュレータデバイスであり、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含み、前記負レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(v) 前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のデバイスが、前記構造Aを有し、最初に閉構成にあり、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、
前記第１の入力及び前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、
前記第２の入力及び前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、
前記入力が、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換し、前記負レギュレータデバイスの前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズし、これにより前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスが閉じるのを促進、又は前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスが開構成に遷移するのを防止できるように、両方の入力が存在するとき、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のデバイスの前記アプタマー領域に結合し、
各シグナル分子が前記ラッチ領域の異なる１つを置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のデバイスの前記アプタマー領域の各々１つに結合するとき、前記２つの入力の前記第１の入力のみが存在する場合、前記ゲートの前記２つの出力が論理オン状態にあることを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記エフェクタデバイスが開構成にあるとき、前記ペイロードの各々１つが前記エフェクタデバイスの外面に位置していることを特徴とする請求項２４〜３７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項３９】
各々請求項1〜２１のいずれか１項に記載された複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス、又は各々リポソーム、粒子又は人工細胞、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力から選択された複数の構成要素を含み、前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素が所定の濃度で凝集するクオラムセンシングを示すシステムであって、
(i)前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記アプアタマー領域とハイブリダイジング可能な第１のオリゴヌクレオチドに結合された前記ハンドル領域を含み、前記エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの外面に位置しており、
(ii) 前記構成要素の各々１つが、その外面に第１のオリゴヌクレオチドに結合されたハンドル領域を含む(a)短鎖、及び他の前記複数の構成要素の第１のオリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能なように選択された第２のオリゴヌクレオチドを含み、
前記核酸折り紙デバイスの各々１つ又は構成要素が開閉構成を有し、最初に閉構成にあることを特徴とするシステム。
【請求項４０】
前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスが凝集すると、前記少なくとも１つの入力の前記第１の入力として機能する、前記第１のオリゴヌクレオチドが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記ラッチ領域を置換し、これにより他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの開構成へ遷移するのを促進できるように、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つの前記第１のオリゴヌクレオチドが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記アプタマー領域に結合することを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、又は前記構成要素の各々１つが、他の少なくとも１つの入力として機能する結合相手に結合可能なアプタマーを含むさらなる短鎖を含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記結合相手が、標的抗原であることを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素が、任意にリンカーを介してクオラムセンシング分子に結合されたハンドル領域をさらに含み、前記クオラムセンシング分子が、前記少なくとも１つの入力のさらなる１つとして機能することを特徴とする請求項３９〜４２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項４４】
前記複数の構成要素を含むことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記リンカーが、前記ハンドル領域の前記配列に相補的な配列を有する第３のオリゴヌクレオチド、任意に酵素切断の認識部位を含むさらなる領域を含み、前記クオラムセンシング分子が、前記ハンドル領域への前記第３のオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションにより前記ハンドル領域に結合されていることを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【請求項４６】
前記さらなる領域が、細胞外マトリックス分解酵素等のプロテアーゼによる切断のプロテアーゼ認識部位を含むペプチドリンカーを含むことを特徴とする請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ又は前記構成要素が、その外面に位置したさらなる短鎖を含み、前記さらなる短鎖は、前記クオラムセンシング分子に結合された、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素を置換し、これにより前記第３のオリゴヌクレオチドに結合された前記クオラムセンシング分子を遊離できるように、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記ハンドル領域又は前記構成要素にハイブリダイジング可能なように選択された第４のオリゴヌクレオチドを含むことを特徴とする請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記遊離されたクオラムセンシング分子が、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの１つ又は前記構成要素を閉構成から開構成に遷移可能であることを特徴とする請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記遊離されたクオラムセンシング分子が、チャンネル活性剤及びペプチド等の膜透過化合物から選択されることを特徴とする請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
請求項１〜４９のいずれか１項に記載の医薬組成物及び薬学的に許容可能な担体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、分子折り紙デバイスシステム、及び分子計算、クオラムセンシング、及びプログラム可能な薬物送達への分子折り紙デバイスシステムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的システム中で起こる通信メカニズムに触発されて、分子通信（MC）は、バイオテクノロジー、通信技術、及びナノテクノロジーの研究領域が集中する新しい学際的パラダイムである [Hiyama, S. et al., 2005]。これらの領域における急速な進歩が、自走機の小型化をもたらし、ロボットをナノメートルの大きさまで縮小させた。この大きさで、バイオテクノロジーに触発されたナノロボット（簡単には、ナノボット）は、ナノスケールの構成要素から構成され、計算、データ記憶、センシング、又は発動等の特殊な作業を行うことができる最も基本的な機能単位である [LIaster, I. et al., 2011]。このような作業は、入力を受け取り、出力を生成する能力により実行することができ、これは分子通信分野においては、ナノロボットが特定分子に反応することで情報を収集し、所定のパラメータに応じて、他の分子を放出することで情報を一斉同報通信するため送受信機能を必要とする。
【０００３】
今日まで、メッセージ分子を送信機から受信機に伝播させる方法に応じて、数々のMCシステムが提案されてきている [Pierobon, M. et al., 2010]。これらのシステムは、３つに分類されている。すなわち、ウォークウェイベースMC、拡散ベースMC、及びフローベースMCである。各々のカテゴリの場合、システムを設計するために幾つかの努力が試みられ、実験室条件実現可能性が研究されている[Hiyama, S.et al., 2010]。ウォークウェイベースMCシステムの場合は、ウォークウェイ-モーター-相互作用輸送モデルが提案されている [Hiyama, S. et al., 2009]。このようなシステムにおいて、シグナル分子は、分子モーターによりタンパク質フィラメント（つまり、微小管）にわたって伝播される [Hiyama, S.et al., 2007; Hiyama, S. et al., 2008(a); Hiyama, S. et a., 2008(b); Enomoto, A. et al., 2006]。拡散ベースMCは、情報分子を小胞に被覆し、媒体に放出し [Moritani, Y. et al., 2006; Y. et al., 2007]、その後拡散又は予想できない媒体の乱流により伝播することで達成される。この方法は、細胞間のギャップ結合による拡散を用いたシステム[Nakano, T. et al., 2005; Walsh, F. et al., 2010] 及びホルモン、フェロモン、花粉又は胞子等のプラットフォームを用いるために考案された長距離遠達システム [Parcerisa Gine, L. et al., 2009] も含む。鞭毛細菌 [Gregori, M. et al., 2011; Gregorim M. et al., 2010] 及び情報がDNAプラスミドに符号化され、細菌又は合成ナノモーターにより伝達する触媒ナノモーター [Gregori, M.et al., 2010] を用いる長距離で積極的に推進されるシステムの新しいグループも報告されている。フローベースMCシステムにおいては、シグナル分子が液状媒体に放出され、そこで吹送流により目的地まで案内される。このようなシステムは、生物学的に最も現実的なシナリオの幾つか、すなわち、これはナノマシーンが、血液の流れによるホルモン伝達等のシグナル分子の移動のための偏流を導入する流体中で展開できるためである。興味深いことに、小胞及び長距離送達ホルモン、フェロモン、花粉又は胞子システムが、流れ案内MCシステムに適応可能かも知れないが、そのような伝播システムを用いる物理システムに関する研究は公表されていない。
【０００４】
基本的な挑戦は、ナノ送受信機の驚くべき特徴をアプリケーション指向機能性と組み合わせることができる生物学的ナノロボットプラットフォームを考案することである。究極的には、そのようなシステムは、多数のナノロボットを相互接続して、複雑な仕事を行うことができるスケーラブル単一ネットワークシステムのための青写真を提供する。
【０００５】
MC研究の一般的な試みが、バイオテクノロジーに触発された伝播システムとその理論的適格性に主として注目している。一方、実際の送受信機に関する研究は、かなり限られている。今日まで、２つの送受信機工学アプローチが提案されている。単純化された人工細胞様構造は、生物学的材料又は既存の生物学的細胞の適合から構成されている [Suda, T, et al., 2008]。比べてみると、ここで詳細に記述したように参照として援用したWO2012/061719とDouglas et al.(2012)に開示されたDNA折り紙プラットフォームは、分子ペイロードを標的に輸送するためプログラム可能な自律的な論理案内ナノロボットを形成する新規な非細胞様方法を容認する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願は、２０１３年４月１３日に出願された同一発明者による「Non-Immunogenic
and Nuclease Resitant Nucleic Acid Origami Devices and Compositions Thereof」と題する同時係属PCT出願に基づいており、本発明者の数人が共同発明者であり、本明細書中に詳細に記述するように参照として援用した２０１３年４月１８日に出願された米国仮出願番号第61/813,412号の優先権を主張する。
【０００７】
一態様において、本発明は、論理ゲートとして機能するシステムに関し、このシステムは、少なくとも１つのエフェクタデバイス、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力を含み、前記少なくとも１つのエフェクタデバイスと前記少なくとも１つのレギュレータデバイスの各々１つは、各々長鎖と複数の短鎖とを含む核酸折り紙デバイスであり、独立して構造A,B,又はCを有し、
前記構造Aにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む結合相手に結合可能な(a)アプタマー領域、他の少なくとも１つのDNA結合タンパク質を結合可能な(b)オリゴヌクレオチド、又は(c) 少なくとも１つのさらに他の入力を含む電磁場を受容可能なナノアンテナに付着されたオリゴヌクレオチドのいずれかを含み、又は前記短鎖の１つが、(a) のアプタマー領域を含み、他の前記短鎖が、(c) のオリゴヌクレオチドを含み、
(ii) 前記短鎖の他の鎖が、(a) の前記アプタマー領域又は(b) 又は(c)のオリゴヌクレオチドにハイブリダイズ又は結合されたラッチ領域を含み、前記ラッチ領域配列は、前記結合相手が前記ラッチ領域を置換するように、(a)の前記アプタマー領域が前記結合領域に結合可能なように選択され、又は前記ラッチ領域が前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、前記ラッチ領域が、第１の条件下で第１の構成を有し、別の第２の条件下で第２の構成を有するように選択された結合相手に結合され、(a)の前記アプタマー領域又は(b)のオリゴヌクレオチドが、前記第１の構成を有する結前記合相手に結合できるが、前記結合相手が前記第１の構成から前記第２の構成に遷移したとき、前記ラッチ領域が、(a)の前記アプタマー領域又は(b)の前記オリゴヌクレオチドから除去されるように、前記第２の構成を有する結合相手に結合できず、又は(c)のナノアンテナが電磁場を受けると、誘導結合され、その後加熱され、これにより前記ラッチ領域を(c)の前記オリゴヌクレオチドから除去し、
(iii)
互いにハイブリダイズ又は結合されたとき、(a)の前記アプタマー領域又は(b) 又は(c)の前記オリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が前記、デバイスを閉構成に保持し、前記アプタマー領域又はオリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が、互いにハイブリダイズ又は結合されていないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Bにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む第１の結合相手に結合可能な第１のアプタマー領域を含み、
(ii) 前記短鎖の他の鎖が、前記少なくとも１つの入力の他の１つを含む第２の結合相手に結合可能な第２のアプタマー領域を含み、
(iii) 前記短鎖の他の鎖が、前記第１のアプタマー領域にハイブリダイズされた第１のラッチ領域を含み、前記第１のラッチ領域配列は、前記第１の結合相手が前記第１のラッチ領域を置換するように、前記第１のアプタマー領域が前記第１の結合相手に結合可能なように選択され、又は前記第１のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(iv)
前記短鎖のさらに他の鎖が、前記第２のアプタマー領域にハイブリダイズされた第２のラッチ領域を含み、前記第２のラッチ領域配列が、前記第２の結合相手が前記第２のラッチ領域を置換するように、前記第２のアプタマー領域が前記第２の結合相手に結合可能であるように選択され、又は前記第２のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(v) 前記第１のアプタマーが前記第１のラッチ領域にハイブリダイズするとき、及び/又は前記第２のアプタマー領域が前記第２のラッチ領域とハイブリダイズするとき、前記核酸折り紙デバイスが閉構成にあり、前記第１のアプタマー領域が前記第１のラッチ領域にハイブリダイズされていないとき、及び前記第２のラッチ領域が前記第２のラッチ領域にハイブリダイズされてないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Cにおいて、
(i) 前記短鎖の２つの鎖が、各々外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合されたラッチ領域を含み、前記外部オリゴヌクレオチドが、核酸折り紙デバイスの他の１つに位置しており、
(ii)外部オリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドの各々１つが、前記外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされていないとき、前記核酸折り紙デバイスが開構成にあり、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジンング可能なオリゴヌクレオチドの両方が前記外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされるとき、前記核酸折り紙デバイスが閉構成に遷移し、
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスが、アルキル化、アシル化、又はヒドロキシル化され、又は二重鎖核酸の前記大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な化合物と相互作用するため、核酸分解酵素に対し耐性があり、及び/又は
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスは、TLR9認識配列が欠如し、又は前記核酸折り紙デバイスのTLR9認識配列がマスク又は修飾されるため、前記核酸折り紙デバイスが非免疫原性であることを特徴とするシステム。
【０００８】
ある実施形態において、本発明の前記システムは、各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力及び１つの出力に結合された１つ以上のハンドル領域を有する１つのエフェクタデバイスを含み、前記エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、この出力は第１の出力状態を有し、前記エフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有する。より詳しくは、第１の出力状態は論理オフ状態に対応し、前記第２の出力状態は論理オン状態に対応している。そのようなシステムに基づく特定の論理ゲートは、１つの入力を含み、両方の入力が存在する場合、論理オン状態にある(i)論理NANDゲート、１つの入力を含み、前記入力が存在する場合、論理オン状態にある(ii)論理NOTゲート、２つの入力を含み、２つの入力の少なくとも１つが存在する場合、論理オン状態にある(iii)暗黙的論理ORゲート、２つの入力を含み、前記２つの入力の１つのみ存在する場合、つまり前記２つの入力の前記第２の入力が存在し、前記２つの入力の前記第１の入力が存在しない場合、(iv)排他的論理OR（XOR）ゲートである。
【０００９】
ある実施形態において、本発明のシステムは、各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び２つの出力に結合された１つ以上のハンドル領域を有する２つのエフェクタデバイスを含み、前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のエフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記２つの出力の前記第１の出力が第１の出力状態を有し、前記２つのエフェクタデバイスの前記第１のエフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有し、前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のエフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記２つの出力の前記第２の出力が、第１の出力状態を有し、前記２つのエフェクタデバイスの前記第２のエフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態にある。この構成を有するシステムにおいて、前記第１の出力状態の各々１つは論理オフ状態に対応し、前記第２の出力状態の各々１つは論理オン状態に対応している。そのようなシステムに基づく特定の論理ゲートは、２つの入力及び２つの出力を含み、前記第１の出力がXORゲートとして機能し、前記２つの出力の１つのみが存在する場合、論理オン状態にあり、前記第２の出力が、前記２つの入力の前記第１の入力の存在のみに敏感であるため、２つの入力の第１の入力又は両方の入力のいずれかのみが存在する場合、論理オン状態にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、本発明のシステム、つまり論理ゲートは、そのシステムの特定の構成に無関係な論理オン状態にあるたびに、前記システムに含まれる前記エフェクタデバイスは、開構成にあり、前記ペイロードの各々１つが、前記エフェクタデバイスの外面に位置している。
【００１１】
他の態様において、本発明は、各々論理ゲートとして機能するシステムに関して上述したような、構造A,B,又はCを有する複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスを含む、又はその代わりに、各々リポソーム、粒子又は人工細胞、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力から選択され、前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素が、所定の濃度で凝集し、前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つが、他の複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスの前記アプタマー領域とハイブリダイジング可能な第１のオリゴヌクレオチドに結合され、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの外面に位置するハンドル領域を含み、又は前記構成要素の各々１つが、その外面に、第１のオリゴヌクレオチドに結合されたハンドル領域を含む(a)短鎖、及び他の前記複数の構成要素の第１のオリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能であり、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ又は構成要素が、開構成と閉構成を有し、最初に閉構成にあるように複数の構成要素を含むクオラムセンシングを示すシステムに関する。
【００１２】
さらなる態様において、本発明は、論理ゲートとして機能するシステム又は上記で定義したクオラムセンシングを示すシステム、及び薬学的に許容可能な担体を含む医薬組成物を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】アガロースゲル（左側の写真）と別の折り畳み期間に得られたナノロボットの透過型電子顕微鏡(TEM)写真（右側の写真）を可視化した図である。試料は、20nMの長鎖濃度、20nMの短鎖濃度、1X Tris/酢酸/EDTA(TAE)緩衝液、10mM MgCL2で折り畳まれた。折り畳んだ後、余分な短鎖をmicon Ultra-0.5 mL100K遠心濾過機を(Millipore)用いて除去した。折り畳み期間は、2分/℃で80〜60℃、150分/℃で60〜10℃である。
【００１４】
【図１Ｂ】アガロースゲル（左側の写真）と別の折り畳み期間に得られたナノロボットの透過型電子顕微鏡(TEM)写真（右側の写真）を可視化した図である。試料は、20nMの長鎖濃度、20nMの短鎖濃度、10mM MgCL2の1X Tris/酢酸 /EDTA(TAE)緩衝液で折り畳まれた。折り畳んだ後、余分な短鎖をmicon Ultra-0.5 mL100K遠心濾過機を(Millipore)用いて除去した。折り畳み期間は、5分/℃で80〜60℃、75分/℃で60〜10℃である。
【００１５】
【図２】不活性状態（正面図の左側の写真と側面図の中央の写真）及び活性開状態（右側の写真）のナノロボットの３次元表現を示す。
【００１６】
【図３Ａ】E（エフェクタ）、P（正レギュレータ）ロボット、及びN（負レギュレータ）ロボットから延びるDNA鎖間の衝突を可能にする基本設計を示す。EとPロボット間の相互作用を示す。
【００１７】
【図３Ｂ】E（エフェクタ）、P（正レギュレータ）ロボット、及びN（負レギュレータ）ロボットから延びるDNA鎖間の衝突を可能にする基本設計を示す。EとNロボット間の相互作用を示す。
【００１８】
【図３Ｃ】E（エフェクタ）、P（正レギュレータ）ロボット、及びN（負レギュレータ）ロボットから延びるDNA鎖間の衝突を可能にする基本設計を示す。EとF（第２のエフェクタ）ロボットの差動キーイングの構造的基礎を示す。
【００１９】
【図４Ａ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。２つの「アーム」から構成され、各々相補的鎖にハイブリダイズされたセンシング鎖を含む。ゲートを開くことは、２つのモード、すなわち、センシング鎖（右側）に結合している分子刺激（例えば、タンパク質、核酸断片、小分子等）、又は短鎖にハイブリダイジングし、トーホールド(toehold)媒介鎖移動により置換する、隣接するナノロボットにより表されたDNAキーにより達成できる。DNAキーは、後者が状態１にあるときのみ、隣接するナノロボットにより表すことができる。状態０のナノロボットは、どのペイロードも表すことができない。
【００２０】
【図４Ｂ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。EアーキテクチャによりエミュレートされたＡＮＤを示す。センシングアーム（それぞれk1＊とk2＊）により受容される分子刺激ｋ１（この場合、血小板誘導成長因子（PDGF））及びk2（この場合、血管内皮成長因子（VEGF）に遭遇したとき、孤立したEナノロボットは状態１に変わる。たった１つの刺激の結合は、ナノロボットを完全に開かせるのに十分ではない。そのため、Eナノロボットにより生成された出力はANDである。
【００２１】
【図４Ｃ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。EP1P2アーキテクチャによりエミュレートされたORを示す。ここで、P1とP2がEに加えられる（ここでは、明確化のためにP1のみを示す）。P1とP2は、それぞれ状態１に変化するのに分子刺激k1又はk2の１つのみを必要とする。いったん状態１になると、P1又はP2のいずれかが、Eと衝突し、相互ゲートを開くのに必要なDNAキーをEに提供する。例えば、k1だけが存在する場合、P1は状態１になって（k1〜k1＊のセンシングにより）、ゲートk2＊を開くのに必要なDNAキーをEに提供する。従って、EとP1（又はP2）間で衝突すると、Eが状態１にある錯体EP1又はEP2を生成することになり、これによりORゲートをエミュレートする。
【００２２】
【図４Ｄ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。EP1P2NによりエミュレートされたXORを示す。ここで、NがEP1EP2に加えられる（ここでは、明確化のためP1のみ示す）。Eと同様に、Nは開くために刺激k1とk2両方を必要とするが、Eと異なり、P1とP2で表されたDNAキーはNを開かない（Nの相補的鎖は、Eのそれと異なるため）。Nにより表されたペイロードはDNA鎖であり、Eの両端を締めて、開くのを防いでいる（又は、既に開いているとき、Eが閉じるのを促進する）。そのため、k1又はk2のいずれかが存在するとき、Eは状態１にあるが（P1とP2のために）、k1とk2両方が存在するとき、Nにより状態０にさせる。これによりXOR出力をエミュレートする。
【００２３】
【図４Ｅ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。EopenNアーキテクチャによりエミュレートされたNANDを示す。ここで、Eopen(センシングアームが無いため、常に状態１にあるナノロボット)は、Nと混合される。ｋ１とｋ２の両方が存在するときのみ、Nは状態１に変化し、Eopenを閉じるのを誘発する。これによりNAND出力をエミュレートする。
【００２４】
【図４Ｆ】衝突に基づく計算のゲート機構を示す。EopenNxアーキテクチャによるNAND構成インバータを示す。ここで、Nは状態１に変化させるのに必要なたった１つの刺激を有している。刺激ｋ１が存在するとき、NはEを閉じ、これにより上記に示したNANDゲートに基づくインバータをエミュレートする。
【００２５】
【図５Ａ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。ANDゲートを提供するEアーキテクチャを示す。
【００２６】
【図５Ｂ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。ORゲートを提供するEP1アーキテクチャを示す。
【００２７】
【図５Ｃ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。XORゲートを提供するEP1P2Nアーキテクチャを示す。
【００２８】
【図５Ｄ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。NANDゲートを提供するEopenNアーキテクチャを示す。
【００２９】
【図５Ｅ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。NOTゲートを提供するEopenNアーキテクチャを示す。
【００３０】
【図５Ｆ】試験管で試験された蛍光標識ナノロボットの蛍光標示式細胞分取管（FACS）解析を示す。各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。
【００３１】
【図６Ａ】生体内で試験された蛍光標識ナノロボットの(FACS)解析を示す。ここにおいて、各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。ANDゲートを提供するEアーキテクチャを示す。
【００３２】
【図６Ｂ】生体内で試験された蛍光標識ナノロボットの(FACS)解析を示す。ここにおいて、各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。XORゲートを提供するEP1P2Nアーキテクチャを示す。
【００３３】
【図６Ｃ】生体内で試験された蛍光標識ナノロボットの(FACS)解析を示す。ここにおいて、各写真は、２つの刺激のいずれか１つの有無に対するナノロボットの応答を示す。すなわち、(i) 刺激なし、(ii) 刺激１が存在するが刺激２が存在しない、(iii) 刺激１が存在しないが刺激２が存在する、(iv) 両方の刺激が存在する。図６Cは、NANDゲートを提供するEopenNアーキテクチャを示す。
【００３４】
【図７】ANDゲートを提供するＥアーキテクチャの生体内での昆虫の血球への２つの異なる刺激に対する蛍光標識ナノロボットの(FACS)解析を示す。EP1アーキテクチャは、ORゲートを提供する。EP1PN2アーキテクチャは、XORゲートを提供する。EopenNアーキテクチャは、NANDゲートを提供する。
【００３５】
【図８Ａ】正常な細胞を傷つけるロボットを閉じる多型「Asimov system」で用いられたNOTゲートを示す。
【００３６】
【図８Ｂ】正常な細胞を傷つけるロボットを閉じる多型「Asimov system」で用いられたNANDゲートを示す。
【００３７】
【図９】３つの構成要素から構成されるクオラムセンシング（QS）信号発生器を示す。すなわち、選択キー、切断可能連結鎖（tether）（基質）、及びナノロボット注入部位（ナノロボットを示す正方形から現れる角度を有するアーム）に注入するDNAの尾部(UIc)）。
【００３８】
【図１０】濃度（密度）の関数として、個々のナノロボットの平均直径を示す動的光散乱測定からのグラフを示す。
【００３９】
【図１１】以下のように行われたFACS実験を示す。すなわち、ロボットに蛍光標識が付けられ、ビオチンを装填したロボットを、数々の密度（濃度）でアビジン被覆細粒と混合した。この結果は、２つの別の親和性があることを立証した。アビジンに対するビオチンの親和性は、ロック解除されたロボット（正方形）により誘導された蛍光を決定する。一方、クオラムセンシング機構は、ゲートロボット（三角形）の蛍光を決定する。
【００４０】
【図１２】昆虫Blaberusdiscoidalisに注入されたナノロボットの量の関数として、付着された蛍光ナノロボットから得られた血球蛍光を示す。ナノロボットは、連結鎖配列KIEARC (SEQ ID NO:1)、昆虫のプロフェノール酸化酵素活性プロテアーゼ（PAP）基質、及び蛍光標識された抗昆虫血球抗体を含む信号発生器を備えている。
【００４１】
【図１３】ナノロボットの濃度に応じて、可逆的自己凝集及び活性化が可能なナノロボットの一例である方法を示す。
【００４２】
【図１４】リガンドの濃度にも依存しているナノロボットの濃度に応じて、可逆的自己凝集及び活性化が可能なナノロボットの一例である方法を示す。
【００４３】
【図１５】遊離薬物と比較して、薬物を装填したロボットの濃度での癌細胞における細胞周期停止又はアポトーシスへの依存性を示すグラフである。この結果により、ロボット誘発作用が、薬物誘発作用と異なり、異なる濃度で現れることを実証されている。実際、クオラムセンシングは、ここで規定投与量に達するまで、活性化されることなく、高投与量が蓄積可能なので、薬物の治療可能時間域を向上させた。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
生体系中の分子を制御可能なコンピュータは、治療計画と使用をパラダイムシフトさせる可能性があり、適切なインタフェースが設計されている。コンピュータ自身が分子から構築されたとき、分子力により計算を駆動させて、コンピュータ-分子インタフェースを設計する挑戦は回避された [Adamatzky, A.et al., 2002]。DNAは、そのような仕事のための自然な基質であり、DNAコンピューティングは、実に様々な純粋に数学計算設定において成功裏に実証されている[Adleman, L.M.et al., 1994; Braich, R.S. et al., 2002; Yeh, C.W.et al., 2006; Chen, J.H. et al., 1991; Seeman, N.C., 1982; Winfree, E. et al., 1998; Rothemund, P.W., 2006; Adar, R.et al., 2004; Chang, W.L. et al 2004; Qian, L. et al., 2011; Yin,
Z. et al., 2002]。生体分子として、この分野の文献は少ないが、DNAは、遺伝子、タンパク質、及び全細胞に影響を与える自然な導管(natural conduit)も提供する。Benenson, Shapiro 及び同僚達は、素晴らしい核酸ベースのコンピュータを記述した。これは規定の遺伝子発現パターンを認識すると論理出力を生成する[Xie, Z.et al., 2011; Rinaudo, K.et al., 2007; Benenson, Y. et al., 2004; Benenson, Y. et al., 2001]。最近、DNA折り紙を用いて[Rothermund, P.W., 2006; Dietz, H. et al., 2009; Douglas, S.M. et al., 2009] 標的細胞の表面に治療ペイロードを送達できる自律的論理誘導ナノロボットを作製した（WO
2012/061719）。
【００４５】
現在の研究は、これらの生物応答性ナノロボット間の相互作用と衝突を設定して、分子を制御する高度に複雑なコンピューティングを行うことを目的としている。衝突ベースのコンピューティングは、ビリヤードの球、粒子、又は非線形媒体中でのソリトン等の離散移動体間の相互作用により駆動される [Adamatzky, A., 2002]。ここで開示したDNAナノロボットは、エフェクタペイロードを輸送するナノロボットの状態を論理的に決定するように衝突を設計できるならば、汎用的な衝突ベースのコンピューティングのための適切なプラットフォームを提供する。
【００４６】
単一ナノロボットの状態は、ANDゲートに等価なナノロボットゲートによる制御により閉じる(0)又は開く(1)のいずれかにできる [Douglas, S. M. et al., 2012]。ゲート中（各入力に対し１つ）の２つの「アーム」の各々は、センシング鎖（例えば、特定刺激に対するアプタマー）及び相補鎖から構成され、これらがハイブリダイズされたとき、これらの鎖は、ナノロボットを状態０に保持する。「エフェクタ」ナノロボットと「レギュレータ」ナノロボット間の状態判定衝突を可能にするには、ゲートシステムを以下のように再設計した。このゲートは、通常、選択された刺激に応じてのみ開き、これにより相補鎖をセンシング鎖から遊離する。しかし、現在の設計において、ゲートは、外部DNA「キー」に応じても開き、これにより相補鎖とハイブリダイズして、トーホールド媒介移動によりセンシング鎖を置換する [Zhang, D. Y. et al., 2011; Zhang, D. Y. et al., 2009] （図４Ａ）。エフェクタナノロボットゲートに対するこの外部刺激非依存性キーは、輸送物として、レギュレータナノロボットの中に注入され、その結果、後者が状態１にあるとき、２つの間の衝突が、その後前者の状態を０から１に変える。これは「正レギュレータ」(P)表現型を外部キーを保持しているナノロボットに割り当てる。「負レギュレータ」(N) 表現型も設計するには、レギュレータナノロボットにエフェクタ(E)ナノロボットの２つの並置側を締結しているDNA鎖を装填する。これにより強制的に閉じるか、又は開くのを防ぐことができる。いったんE. P及びNナノロボットを設計して、作製すると、同種刺激の存在又は非存在下で、規定の化学量論で適正な型を混合することで各種アーキテクチャを達成できる。
【００４７】
両方のタンパク質X,Yが存在する場合かつその場合に限り開く、ペイロードを輸送し、ゲートにより制御されるＥ型ナノロボットを考える。Eナノロボットのみから構成されるアーキテクチャ（Ｅアーキテクチャと呼ばれる）は、上述したように、論理ANDゲートをエミュレートする [Douglas, S.M. et al., 2012] (図４Ｂ)。ここで、２つの追加ナノロボット型であるP1（Xに応じて開き、EのYアームにキーを輸送する）及びP2（Yに応じて開き、EのＸアームにキーを輸送する）を考える。P1とP2をE（EP1P2アーキテクチャ）に付加することで、Xのみ(P1により)、Yのみ(P2により)、又はXY(それ自身により)に応じて、後者が確実に開くようにし、これにより論理ORゲート(図4C)をエミュレートする。
【００４８】
ここで、これまで説明したシステム（EP1P2N）アーキテクチャにＮ型ナノロボットを追加する。XとYが存在するときかつそのときに限りNが活性化される。ここで、EP1P2と対照的に、XとYが存在することでNを活性化し、Eの活性化を同時に否定又は防止する。これらの出力は、論理XORゲート(図1D)により生成された出力と同一である。EP1P2とEP1P2Nアーキテクチャにおいて、その最終状態にあるEがP1,P2、又はNと常に複合していることを想起することは重要である。
【００４９】
１つ以上のエフェクタナノロボット（上述したEFP1P2Nのような）に基づくアーキテクチャにより、追加治療分子への出力ビットを中継して、より複雑なゲート、可逆的ロジック、及び２進数解読器の基礎を形成する。そのようなアーキテクチャを実証するため、上述したような、E,P1,P2,及びNから構成される制御NOT (CNOT)ゲートを設計した。さらに、Nにより否定されない第２のエフェクタナノロボットF、及びXとFキーのみに応答する正レギュレータナノロボットP3を設計した。よって、１入力ビットがEによりXORが取られ、第２の出力ビットがFにより未変化でマップされる。
【００５０】
格別重要なのが、カスケード接続して他のいかなるゲートも構築できる、NANDとNOR等の機能的に完全なゲートをエミュレーションすることである。NANDアーキテクチャは、２つのナノロボット型に基づくことができる。その１つが、Eに類似しているがゲート鎖が欠如し、よって入力XとYに関わらず恒常的に開くEopenと、もう1つが、XYに応じて開き、その結果Eopenを否定するNである。そのため、このアーキテクチャは、XYに応じて０を生成し、さもなければ１を生成する。
【００５１】
薬物が連結され、薬物を実際に放出することなく、使用不可（「オフ」）と使用可（「オン」）の２つの状態の間で論理的に薬物を切り替えてDNAデバイスを活性化することを最近提案した(Douglas, S. M. et al., 2012)。アプタマー認識、鎖置換等に基づく、様々な種類のDNA論理ゲートを構成することで、そのようなデバイスをプログラムして、多くの規定の方法で多種多様な刺激に応答することができるだろう。さらに、これまで説明した設計によっても、集団的挙動を示す多剤システムにより提供されるより精巧な制御モードを利用しない。
【００５２】
本発明は、特に、蛍光分子、ビオチン、又はアビジン等のペイロードを輸送するので、あるものがエフェクタデバイスとして機能し、またあるものが、活性状態において、オリゴヌクレオチドペイロードを介してエフェクタデバイスと相互作用可能で、特定の所定のアーキテクチャでオン又はオフいずれかに切り替わるのが可能であるので、レギュレータデバイスとして機能する。多数の異なる核酸折り紙デバイスを用いることで、いかなる重要な論理ゲートとしても機能できるという実施例２に開示された知見に基づいている。例えば、エフェクタ核酸折り紙デバイスとレギュレータ核酸折り紙デバイスのある組み合わせが、論理AND,OR, XOR, NAND, NOT, 及びCNOT挙動を示すことが、本発明により発見された。これらの異なるゲートを組み合わせて、特定のリガンド又は酵素の存在下、又はｐＨ等のある種の環境決定因子に関して定義し得る特定の状況下で、薬物又は異なる薬物の組み合わせ等の１つ以上のペイロードを提示するため、要求される任意の論理回路を形成できる。核酸折り紙デバイスは、開構成と閉構成の間で循環することができ、かつリンカーを介してペイロードがデバイスに結合し得、かつ遊離することなく、デバイスが開構成にあるとき提示されるので、薬物の送達だけでなく、薬物の回収も制御し得る。
【００５３】
従って、一態様において、本発明は、論理ゲートとして機能するシステムに関する。このシステムは、少なくとも１つのエフェクタデバイス、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力を含み、少なくとも１つのエフェクタと少なくとも１つのレギュレータデバイスの各々１つは、長鎖と複数の短鎖とを含む核酸折り紙デバイスであり、独立して構造A,B又はCを有し、
構造A（この構造は１つのキー：アプタマーかナノアンテナか“リガンド-センシング分子”型キーのいずれかを有する）において、
(i) 短鎖の１つが、少なくとも１つの入力を含む結合相手に結合可能な(a)アプタマー領域、他の少なくとも１つのDNA結合タンパク質を結合可能な(b)オリゴヌクレオチド、又は(c) 少なくとも１つのさらに他の入力を含む電磁場を受容可能なナノアンテナに付着されたオリゴヌクレオチドのいずれかを含み、又は短鎖の１つが、(a) のアプタマー領域を含み、他の短鎖が、(c) のオリゴヌクレオチドを含み、
(ii) 短鎖の他の鎖が、(a) のアプタマー領域又は(b) 又は(c)のオリゴヌクレオチドにハイブリダイズ又は結合されたラッチ領域を含み、ラッチ領域配列は、結合相手がラッチ領域を置換するように、(a)のアプタマー領域が結合領域に結合可能なように選択され、又はラッチ領域がアプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、ラッチ領域が、第１の条件下で第１の構成を有し、別の第２の条件下で第２の構成を有するように選択された結合相手に結合され、(a)のアプタマー領域又は(b)のオリゴヌクレオチドが、第１の構成を有する結合相手に結合できるが、結合相手が第１の構成から第２の構成に遷移したとき、ラッチ領域が、(a)のアプタマー領域又は(b)のオリゴヌクレオチドから除去されるように、第２の構成を有する結合相手に結合できず、又は(c)のナノアンテナが電磁場を受けると、誘導結合され、その後加熱され、これによりラッチ領域を(c)のオリゴヌクレオチドから除去し、
(iii) 互いにハイブリダイズ又は結合されたとき、(a)のアプタマー領域又は(b) 又は(c)のオリゴヌクレオチド、及びラッチ領域が、デバイスを閉構成に保持し、アプタマー領域又はオリゴヌクレオチド、及びラッチ領域が、互いにハイブリダイズ又は結合されていないとき、デバイスが開構成に遷移し、
構造B（この構造は２つの異なるアプタマーキーを有する）において、
(i) 短鎖の１つが、少なくとも１つの入力を含む第１の結合相手に結合可能な第１のアプタマー領域を含み、
(ii) 短鎖の他の鎖が、少なくとも１つの入力の他の１つを含む第２の結合相手に結合可能な第２のアプタマー領域を含み、
(iii) 短鎖の他の鎖が、第１のアプタマー領域にハイブリダイズされた第１のラッチ領域を含み、第１のラッチ領域配列は、第１の結合相手が第１のラッチ領域を置換するように、第１のアプタマー領域が第１の結合相手に結合可能なように選択され、又は第１のラッチ領域が、アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(iv) 短鎖のさらに他の鎖が、第２のアプタマー領域にハイブリダイズされた第２のラッチ領域を含み、第２のラッチ領域配列が、第２の結合相手が第２のラッチ領域を置換するように、第２のアプタマー領域が第２の結合相手に結合可能であるように選択され、又は第２のラッチ領域が、アプタマー領域を置換するように外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(v)第１のアプタマーが第１のラッチ領域にハイブリダイズするとき、及び/又は第２のアプタマー領域が第２のラッチ領域とハイブリダイズするとき、核酸折り紙デバイスが閉構成にあり、第１のアプタマー領域が第１のラッチ領域にハイブリダイズされていないとき、及び第２のラッチ領域が第２のラッチ領域にハイブリダイズされてないとき、デバイスが開構成に遷移し、
構造C（この構造は最初開いており、もう１つのナノロボット上の外部ヌクレオチドによって閉じられる）において、
(i) 短鎖の２つの鎖が、各々外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合されたラッチ領域を含み、外部オリゴヌクレオチドが核酸折り紙デバイスの他の１つに位置しており、
(ii)外部オリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドの各々１つが、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされていないとき、核酸折り紙デバイスが開構成にあり、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジンング可能なオリゴヌクレオチドの両方が外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされたとき、デバイスが閉構成に遷移し、
少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスが、アルキル化、アシル化、又はヒドロキシル化され、又は二重鎖核酸の大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な化合物と相互作用するため、核酸分解酵素に対し耐性があり、及び/又は
少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスは、TLR9認識配列が欠如し、又は核酸折り紙デバイスのTLR9認識配列がマスク又は修飾されるため、核酸折り紙デバイスが非免疫原性であることを特徴とするシステムである。
【００５４】
本発明の論理ゲートを構成するエフェクタデバイス及びレギュレータデバイスに関して本明細書中において交換可能に用いられる用語「核酸折り紙デバイス」、「ナノロボット」、「ナノボット」、及び単に「デバイス」は、以下に説明する構成のいずれか１つにおいて、上記で定義したように、核酸、例えば、DNA折り紙デバイスを指す。
【００５５】
本明細書中において用いられる用語「長鎖」は、長鎖核酸、例えば約7250塩基長のDNA鎖を指し、複数の合理的に設計された「相補的」DNA鎖を用いて特定の形状に折り畳むことができる。しかし、長鎖の長さに原則的に制限はない。全て構築しようとする核酸折り紙デバイスの大きさに拠っている。そうであるから、長鎖は、15〜1013塩基の任意の長さを有しうる。短鎖配列は、長鎖の特定部位にハイブリダイズされるよう設計され、そうすることで、長鎖を強制的に特定形状にする。DNA折り紙構造を作製するのに有用な方法は、例えば、Rothemund, P.W., Nature 440:297-302 (2006); Douglas et al., Nature 459; 414-418 (2009); Dietz et al., Science 325; 725-730 (2009); and US Patent Publication Nos.2007/0117109, 2008/0287668, 20100069621, and 2010/0216978に記載されており、その各々を全体として参照として援用する。短鎖の設計は、例えば、http://www.caDNAno.orgから入手可能なCADNAnoソフトウェアにより容易にすることができる。
【００５６】
本明細書中において用いられる用語「ラッチ領域」は、対向するアプタマー領域にハイブリダイジング可能な核酸領域、又は他の核酸（例えば、ナノアンテナに付着）を指し、これにより核酸折り紙デバイスを閉構成に保持する。
【００５７】
本明細書中において用いられる用語「アプタマー領域」は、標的分子を特異的に結合可能、つまり酷似した抗体が抗原に特異的に結合可能なように選択された核酸分子を指す。アプタマーは、当該技術分野で周知の方法を用いた目的の本質的に任意の抗原を標的とするように設計できる。例えば、目的の標的に特異的なアプタタマーを設計する方法は、US Patent
Nos. 5,582,981, 5,756,291, 5,840,867, and 7,745,607, and in Tang et al., Anal. Chem. 791; 4900-4907(2007) に記載されており、その各々を全体を参照して援用する。
【００５８】
「DNA結合タンパク質を結合可能なオリゴヌクレオチド」の非限定例が、元々遺伝子プロモーター中に見られる単離した応答配列である。この具体的な例が、グルコース感受性調節配列である。
【００５９】
本明細書中において用いられる用語「ハイブリダイズド」又は「ハイブリダイジング」は、核酸分子の２つの鎖を互いに結合することを指し、２つの鎖が互いにハイブリダジング可能であることを意味するか、又は２つの鎖が互いに相補的であることを意味し、２つの鎖の相補性は、２つの鎖の間の親和性を較正するために変化し得る。例えば、２つの鎖の各々１つは、他の鎖の配列に相補的な100,99,98,96,94,92,90,85,80,75,70,65, 又は60%である塩基対配列を有し得る。
【００６０】
アプタマー領域は、結合相手がラッチ領域を置換するように結合相手に結合可能である。結合相手が、リガンドに結合可能にするアプタマー領域に構造的変化を引き起こすことで、アプタマーに結合する標的抗原のようなリガンドである場合、このリガンドは、ラッチ領域よりも高い親和性でアプタマー領域に結合し、これによりラッチ領域とハイブリダイズ可能にするその線形構成をアプタマーに喪失させるため、ラッチ領域を遊離させる。結合相手が核酸分子である場合、核酸分子は、ラッチ領域よりも高いアプタマー領域と相補性を有し得るので、ラッチ領域を置換する。概念的に、核酸分子は、ラッチ領域と相補的になり結合し得、これによりアプタマー領域を置換できる。双方の場合において、置換することで、デバイスを閉構成から開構成に遷移させることになる。結合相手がラッチ領域を置換するように、結合相手がアプタマー領域に結合するように定義された全ての実施形態において、オリゴヌクレオチドである結合相手の場合、結合相手は、その代わりに、オリゴヌクレオチドがラッチ領域を置換するように、ラッチ領域に結合し得ることを理解すべきである。
【００６１】
本明細書中において用いられる用語「外部オリゴヌクレオチド」は、定義された特定核酸折り紙デバイスに含まれないが、例えば、隣接する同じ又は異なる核酸折り紙デバイスに見られるオリゴヌクレオチドを指す。
【００６２】
本明細書中において用いられる用語「核酸分解酵素」は、核酸のヌクレオチドサブユニット間のリン酸ジエステル結合を切断可能な酵素を指す。酵素の一部が、エンドヌクレアーゼとエキソヌクレアーゼの両方のカテゴリに分類し得るとしても、核酸分解酵素は、通常これらの分解酵素にさらに分類される。周知の核酸分解酵素は、DNA分解酵素とRNA分解酵素である。
【００６３】
本明細書中において用いられる用語「核酸分解酵素耐性」は、核酸分解酵素存在下で、無修飾分子よりも安定なように修飾されている核酸分子を指す。
【００６４】
本明細書中において用いられる用語「TLR9認識配列」は、核酸分子、例えば、抗原提示細胞の細胞質中に存在するToll様受容体(TLR)9により認識された核酸分子上の配列である。TLR9は樹状細胞、Bリンパ球、単核球、及びナチュラルキラー(NK)細胞等の免疫系の多数の細胞で表される。TLR9はエンドソーム区画内の細胞間で表され、CpGモチーフが豊富なDNAに結合することで、ウィルスと細菌感染を免疫系に警告するように機能する。TLR9シグナルは、炎症促進性反応を開始する細胞の活性化につながり、I型インターフェロン又はIL-12等のサイトカインが生成されることになる。
【００６５】
用語「CpGモチーフ」と「CpGアイランド」は、本明細書中において交換可能に用いられ、三リン酸グアニジンデオキシリボ核酸(「G」)が後続するシチジン三リン酸デオキシリボ核酸（「C」）を含む短い一本鎖合成核酸分子を指す。「P」は、DNA核酸の一部が、代わりに修飾ホスホロチオエート(PS)バックボーンを有するが、連続したヌクレオチド間のリン酸ジエステル結合を指す。
【００６６】
用語「マスクされた核酸折り紙デバイス」は、領域をカバー可能、さもなければCpGアイランド等の環境にアクセス可能な分子に結合され、これによりこれらの領域を環境にアクセス不可能にするデバイスを指す。
【００６７】
本明細書中において用いられる用語「非免疫原性」は、哺乳類の免疫系により分子に対して応答を誘導しない、又はマスクも修飾もされていないTLR9認識配列を有する点においてのみ異なる同じ分子により誘導されたであろう反応よりも弱い応答を誘導する分子を指す。
【００６８】
非共有結合としては、イオン結合、静電気相互作用、疎水性相互作用、水素結合、又はファンデルワールス力を含む結合が挙げられる。
【００６９】
一実施形態において、本発明の論理ゲートを含み、構造Aを有する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、(i) 複数の短鎖の１つが、第１のアプタマー領域を含み、複数の短鎖のもう１つが、第２のアプタマー領域を含み、両方のアプタマー領域が、同一の結合相手に結合可能であり、(ii) 複数の短鎖のさらにもう１つが、第１のアプタマー領域にハイブリダイズされ、結合相手が第１のラッチ領域を置換するように、第１のアプタマー領域が、結合相手に結合可能なように選択された第１のラッチ領域を含み、(iii) 複数の短鎖のさらにもう１つが、第２のアプタマー領域にハイブリダイズされた第２のラッチ領域を含み、結合相手が第２のラッチ領域を置換するように第２のアプタマー領域が結合相手に結合できるように選択され、及び(iv) 第１のアプタマー領域が、第１のラッチ領域にハイブリダイジンズされたとき、及び/又は第２のアプタマー領域が、第２のラッチ領域にハイブリダイズされたとき、閉構成にあり、第１のアプタマー領域が、第１のラッチ領域にハイブリダイズされておらず、第２のアプタマー領域が、第２のラッチ領域にハイブリダイズされていないとき、デバイスが開構成に遷移する。
【００７０】
他の実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスの各々１つは、非免疫原性、核酸分解酵素耐性、又は非免疫原性と核酸分解酵素耐性両方である。
【００７１】
ある実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスの各々１つの核酸はDNAである。
【００７２】
ある実施形態において、TLR9認識配列はCpGアイランドであり、核酸折り紙デバイスは、メチル化してもよく、好適にはCpG２塩基である。
【００７３】
用語「メチル化」は、メチル基が付加、具体的には、シトシン又はアデニンヌクレオチドに付加された核酸分子を指す。
【００７４】
ある実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスは、各々シトシン残基の位置５の炭素原子で、シトシン残基の位置４の炭素原子に結合されたアミノ基、又はアデニン残基の位置６の炭素原子に結合されたアミノ基でメチル化され、例えば、核酸折り紙デバイスは、CpG２塩基のシトシン残基の位置５の炭素原子でメチル化してもよい。
【００７５】
ある実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスは、それぞれCpG２塩基のシトシン残基又はグアニン残基のいずれかで修飾される。例えば、シトシン残基又はグアニン残基は、リンカーを介して、官能基を有する高分子に共有結合することで修飾し得る。この高分子は、ポリエチレングリコール、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ペクチン、ポリガラクッロ酸、ポリガラクッロ酸、及び乳酸-グリコール酸共重合体（PLGA）、ペプチド、脂質、又は多糖類等の高分子から選択される。官能基は、限定されないが、アミノ、メルカプト、及びカルボキシル基でありうる。
【００７６】
ある実施形態において、二本鎖核酸の大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な化合物は、ネトロプシン、ジスタマイシン、オリゴアミド、糖オリゴイミド接合体、又はビスアミジンから選択される。特定の実施形態において、この化合物は、ネトロプシンであり、ネトロプシンは、その末端アミノ基の２つを介して、任意にリンカーを介して、2013年4月18に出願され、その発明者の一部が共同発明者である「Non-Immunogenic
and Nuclease Resistant Nuleic Acid Origami Devices And Compositions thereof」と題する同時係属米国仮出願の例えば図８及び図９に示すような、二本鎖核酸にさらに共有結合されている。
【００７７】
ある実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つのうちの１つ以上のさらなる短鎖は、それぞれペイロードに結合されたバンドル領域、より具体的には、任意にリンカーを介してペイロード部分に結合されたハンドル領域を含む。ここで、少なくとも１つのペイロードは、少なくとも１つの出力の１つであり、任意に、少なくとも１つのペイロードは、少なくとも１つの入力の１つであり、少なくとも１つの入力の１つをエミュレートする。
【００７８】
一実施形態において、リンカーは、ハンドル領域の配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドを含み、任意に酵素切断の認識部位を有するさらなる領域を含み、ペイロードは、ハンドル領域へのオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションによりハンドル領域に結合されている。このさらなる領域は、細胞外マトリックス分解酵素等のタンパク質分解酵素により、切断のタンパク質分解酵素認識部位を有するペプチドリンカーを含んでも良い。その代わりに、リンカーは、限定されないが、パラセタモールを結合可能なシクロオキシゲナーゼタンパク質、テトロドキンを結合可能なナトリウムチャネルサブユニット、及びジゴキシンを結合可能な抗ジゴキシン抗体等の小分子を結合可能なタンパク質を含んでも良い。
【００７９】
用語「タンパク質分解酵素認識部位」は、プロリンが後続しない限り、アルギニン又はリシンの後のトリプシン切断；プロリンが後続しない限り、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシンの後のキモトリプシン切断；プロリンが後続しない限り、アラニン、グリシン、セリン、又はバリンの後のエラスターゼ切断；プロリンが先行しない限り、イソロイシン、メチオニン、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシン、又はバリンの前のサーモリシン切断；プロリンが先行しない限り、ロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、又はチロシンの前のペプシン切断；及びグルタミン酸の後のエンドペプチダーゼV8（グルコースとしても知られている）切断等のエンドペプチダーゼにより認識されるアミノ酸配列を指す。
【００８０】
ある実施形態において、ペイロードは、各々独立してインスリン、抗体又はその断片、細胞表面受容体リガンド又はその生物学的に活性な断片、小分子、オリゴヌクレオチド等の核酸、核酸分解酵素、アプタマー、脂質、多糖、タンパク質、糖タンパク質、糖脂質、ナノ粒子、フルオロフォア、放射性化合物、ナノアンテナ、又はリポソーム等の薬剤である。オリゴヌクレオチドであるペイロードは、他のデバイスに対して「外部オリゴヌクレオチド」として機能し得る。
【００８１】
用語「ペイロード」及び用語「ペイロード部分」は、本明細書中において交換可能に用いられ、その生物学的活性を維持しつつ、ハンドル領域又はリンカーに直接共有結合されたとき、遊離ペイロードとペイロード両方を指す。
【００８２】
ある実施形態において、本発明の論理ゲートに含まれる核酸折り紙デバイスナノアンテナ、例えば、構造Aを有する核酸折り紙デバイス、又は任意にリンカーを介してハンドル領域に結合されたときペイロードとして用いられ、各々独立して、金属量子ドット、金属ナノ粒子、又は金属ナノ結晶を含み、この金属は好ましくは金である。
【００８３】
他の実施形態において、複数の短鎖は、核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、少なくとも１つのペイロードが、核酸折り紙デバイスの内面上に位置するように選択され、開構成に遷移すると核酸折り紙デバイスの外面にペイロードを位置させる。
【００８４】
ここで定義した構成のいずれか１つにおける本発明の核酸折り紙デバイスに対する用語「内面」は、細胞表面等の核酸折り紙デバイスを取り囲む近接した環境の構成要素と立体的に相互作用できない核酸折り紙デバイスの任意の表面領域を指し、一方、「外面」は、細胞表面等の核酸折り紙デバイスを取り囲む近接した環境の要素と立体的に相互作用できない核酸折り紙デバイスの任意の表面領域である。
【００８５】
さらに他の実施形態において、本発明の論理ゲートを構成する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つの短鎖は、核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、核酸折り紙デバイスの外面に位置したハンドル領域を含み、この場合、ハンドル領域は、ペイロードに結合され、好適には、オリゴヌクレオチド又はリポソームから選択される。ある実施形態において、核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、核酸折り紙デバイスの外面に位置するハンドル領域は、デバイスが開構成にあるとき、デバイスの内面に位置するようになる。
【００８６】
本発明の論理ゲートを構成するデバイスの各々１つの形状は、核酸折り紙デバイスの目的に応じて選択してもよく、例えば、http://www.caDNAno.orgから入手可能なCADNAnoソフトウェア等の核酸折り紙分野で周知の専門のコンピュータプログラムにより形状を定義することで容易に取得される。
【００８７】
ある実施形態において、核酸折り紙デバイスの少なくとも１つを構成する複数の短鎖は、核酸折り紙デバイスがほぼ樽形であるように選択され、他の実施形態では、複数の短鎖は、核酸折り紙デバイスが、ほぼ六角チューブ形状を持つように選択される。核酸折り紙デバイスの少なくとも１つを構成する複数の短鎖が、核酸折り紙デバイスが開放端を含むように選択して良いし、核酸折り紙デバイスが２つの開放端を有するように選択しても良い。
【００８８】
ある実施形態において、(i) 本発明の論理ゲートを含み、構造A又はBを有する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、複数の短鎖は、核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、第１の領域が、各々結合相手に結合可能な(a)のアプタマー領域、又は各々DNA結合タンパク質を結合可能な(b)のオリゴヌクレオチド、又は各々ナノアンテナに付着された(c)のオリゴヌクレオチドを含み、及び第２の領域がラッチ領域を含み、第１の領域の第１の末端が、少なくとも１つの単一鎖核酸ヒンジにより第２の領域の第１の末端に付着され、第１の領域の第２の末端が、それぞれラッチ領域へのアプタマー領域又はオリゴヌクレオチドの各々１つのハイブリダイゼーション又は結合により第２の領域の第１の末端に付着され、又は(ii) 本発明の論理ゲートを含み、構造Cを有する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、複数の短鎖は、核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、第１の領域と第２の領域の各々１つが、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合されたラッチ領域の１つを含み、第１の領域の第１の末端が、少なくとも１つの単一鎖核酸により第２の領域の第１の末端に付着され、第１の領域の第２の末端が第２の領域の第２の末端に付着されている。
【００８９】
特定のそのような実施形態において、(i) 構造A又はBを有する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つの複数の短鎖は、アプタマー領域の各々１つが、そのそれぞれの結合相手により接触された場合、及び/又はナノアンテナの各々１つが、電磁場を受け、誘導結合され、その後加熱される場合、第１の領域の第２の末端が、第２の領域の第２の末端に付着されないように選択され、又は(ii) 構造Cを有する核酸折り紙デバイスの少なくとも１つの複数の短鎖は、ラッチ領域の各々１つが、外部オリゴヌクレオチドの異なる1つにハイブリダイズされた場合、第１の領域の第２の末端が、第２の領域の第２の末端に付着されるように選択される。
【００９０】
ある実施形態において、結合相手は、各々独立して腫瘍関連抗原、細胞膜受容体、分泌又は膜結合成長因子、ホルモン、サイトカイン、リガンド、ケモカイン、細菌、ウィルス又は寄生虫抗原、脂質、オリゴヌクレオチド、糖、酵素、又はDNA結合タンパク質から選択される抗原である。又は「損傷刺激」や「損傷指標」であってもよく、その幾つかの例が、非差別的に細胞損傷を識別する、ATP、リボソーム断片、rRNA、核膜孔構成要素、ヒストン等の必須細胞間分子、又はマイクロRNA、若しくは特定種類の細胞、正常細胞、又は腫瘍細胞に差次的に存在する糖鎖形成、リン酸化変異体等の上記の刺激のある種のアイソフォーム又は類似物である。
【００９１】
本発明のシステムは、高いグルコース濃度で、その表面上にインスリンを放出するグルコース検出ナノデバイスを含んでも良い。この目的のために、上述したように、ナノデバイスは、第１の条件で第１の構成を有し、別の第２の条件で異なる第２の構成を有するように選択された結合相手を含み、(a)のアプタマー又は(b)のオリゴヌクレオチドは、第１の構成を有する結合相手に結合可能であるが、結合相手が第１の構成から第２の構成に遷移したとき、ラッチ領域が(a)のアプタマー又は(b)のオリゴヌクレオチドから遊離されるように、第２の構成を有する結合相手に結合不可能であり、これによりデバイスを開き、インスリンを放出することできる。特に、この結合相手は、酵素、例えば、グルコキナーゼであっても良い（実施例６参照）。
【００９２】
従って、ある実施形態において、酵素はグルコキナーゼあり、(a)のアプタマー領域は、第１の構成を有するグルコキナーゼに結合可能であるが、第２の構成を有するグルコキナーゼに結合不可能であるか、又はDNA結合タンパク質は、グルコース応答性因子であり、(b)のオリゴヌクレオチドは、第１の構成を有するグルコース応答性因子に結合可能であるが、第２の構成を有するグルコース応答性因子に結合不可能であるグルコース応答性調節配列である。グルコキナーゼは、ヒトに限定されず、マウス、又はラットベータ細胞グルコキナーゼ等の哺乳類のグルコキナーゼであってもよい。
【００９３】
ある実施形態において、第１の条件（又は入力）は、0〜4.5mMの範囲のグルコース濃度であり、第２の条件（又は入力）は、4.5mM超、例えば、5〜10mMの範囲のグルコース濃度である。
【００９４】
本発明のシステムは、例えば、正常で健康な細胞を殺さず、標的細胞を特異的に殺すのに用いられる。これは、１つ以上のエフェクタナノロボットを用いて、標的細胞を優先的に殺す毒素を投与して、及び１つ以上のレギュレータナノロボットも含むシステムとして、このプロセス中に損傷を受けた正常な健康な細胞から放出された苦痛又は損傷刺激を検出したとき、ナノデバイスの動作を停止することで達成される。このシステムのナノロボット構成は、エフェクタナノロボットを制御するのに必要な論理ゲート、例えば本明細書中において開示される論理ゲート又はその組み合わせに依存している。
【００９５】
ある実施形態において、本発明のシステムは、各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力及び１つの出力に結合された１つ以上のハンドル領域を有する１つのエフェクタデバイスを含む。ここで出力は、エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、第１の出力状態を有し、エフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有する。特定のこのような実施形態において、第１の出力状態は、論理オフ状態に対応し、第２の出力状態は、論理オン状態に対応する。
【００９６】
あるさらなる特定のこのような実施形態において、本発明のシステムは、２つの入力を含み、両方の入力が存在する場合、論理オン状態にある論理NANDゲートである。特定の実施形態において、本発明のシステムは、１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、(i) エフェクタデバイスが、構造Cを有し、最初に開構成にあり、及び(ii) レギュレータデバイスが、構造Bを有し、各々エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、負レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
２つのシグナル分子の各々１つが、エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズしたとき、ゲートが論理オン状態にあり、これによりエフェクタデバイスが閉じるのを促進、又はエフェクタデバイスが開構成に遷移するのを防止できる。
【００９７】
あるより特定の実施形態において、本発明のシステムは、１つの入力を含み、入力が存在する場合、論理オン状態にある論理NOTゲートである。特定の実施形態において、本発明のシステムは、１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、(i)エフェクタデバイスが、構造Cを有し、最初に開構成にあり、又は(ii)レギュレータデバイスが、構造Aを有し、各々エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、負レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が負レギュレータデバイスの内面に位置しており、入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
２つのシグナル分子の各々１つが、エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズしたとき、ゲートが論理オン状態にあり、これによりエフェクタデバイスが閉じるのを促進、又はエフェクタデバイスが開構成に遷移するのを防止できる。
【００９８】
あるより特定のそのような実施形態において、本発明のシステムは、２つの入力を含み、２つの入力の少なくとも１つが存在する場合、論理オン状態にある論理ORゲートである。特定の実施形態において、本発明のシステムは、１つのエフェクタデバイスと２つのレギュレータデバイスとを含み、(i)エフェクタデバイスが、構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、及び(ii)２つのレギュレータデバイスの第１のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、第１の正レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、２つの入力の第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が正レギュレータデバイスの外面に位置しており、及び(iii)２つのレギュレータデバイスの第２のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、第２の正レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、２つの入力の第２の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合するとき、ゲートが論理オン状態にあり、それぞれ２つの入力が、最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、
２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第１の入力及び第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズし、又は
２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第２の入力及び第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズする。「存在する入力」への参照は、例えば、アプタマーに結合することで、ナノデバイスを開くことが可能な抗原が存在すること、又はグルコキナーゼ等の濃度に敏感な結合相手に結合可能な、ある濃度のグルコース等のリガンドの存在を意味し、グルコースが結合すると、その構成を変化させ、これによりナノデバイスを開くことができる。
【００９９】
あるより特定のそのような実施形態において、本発明のシステムは、２つの入力を含み、２つの入力の１つのみが存在する場合、つまり２つの入力の第１の入力が存在し、２つの入力の第２の有力が存在しない場合、又は２つの入力の第２の入力が存在し、及び２つの入力の第１の入力が存在しない場合、論理オン状態にある排他的論理OR (XOR)ゲートである。特定の実施形態において、本発明のシステムは、１つのエフェクタデバイスと３つのレギュレータデバイスとを含み、(i)エフェクタデバイスが構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、(ii)３つのレギュレータデバイスの第１のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、第１の正レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、２つの入力の第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が正レギュレータデバイスの外面に位置しており、(iii)３つのレギュレータデバイスの第２のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、及び(iv)３つのレギュレータデバイスの第３のレギュレータデバイスが、構造Bを有し、各々エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのバンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、負レギュレータデバイスが、最初閉構成にあり、シグナル分子が負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第１の入力及び第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズし、
２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第２の入力及び第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズしたとき、ゲートが論理オン状態にあり、
両方の入力が存在するとき、２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、２つの入力が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、負レギュレータデバイスの２つのシグナル分子の各々１つが、エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズし、これによりエフェクタデバイスが閉じるのを促進、又はエフェクタデバイスが開構成に遷移するのを防止できる。
【０１００】
他の実施形態において、本発明のシステムは、各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入出力に結合された１つ以上のハンドル領域を各々有する２つのエフェクタデバイスを含む。ここで２つの出力のうちの第１の出力は、２つのエフェクタデバイスのうちの第１のエフェクタデバイスが、閉構成にあるとき、第１の出力状態を有し、２つのエフェクタデバイスのうちの第１のエフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有し、２つのエフェクタデバイスの第２のエフェクタデバイスが閉構成にあるとき、第１の出力状態を有し、２つのエフェクタデバイスのうちの第２のエフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有する。特定のこのような実施形態において、第１の出力状態の各々１つは、論理オフ状態に対応し、第２の出力状態の各々１つは、論理オン状態に対応している。
【０１０１】
あるさらなる特定のこのような実施形態において、本発明のシステムは、２つの入力と２つの出力とを含む論理制御NOTゲートである。２つの出力の１つのみが存在し、第２の出力が２つの入力の第１の入力の存在に敏感である場合にのみ、第１の出力が論理オン状態にあり、２つの入力の第１の入力のみ又は両方の入力のいずれかが存在する場合にのみ論理オン状態にある。
【０１０２】
特定の実施形態において、本発明のシステムは、２つのエフェクタデバイスと４つのレギュレータデバイスとを含み、(i)２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスが、構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、(ii)３つのレギュレータデバイスの第１のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第２の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、第１の正レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、及び２つの入力の第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が正レギュレータデバイスの外面に位置しており、(iii)３つのレギュレータデバイスの第２のレギュレータデバイスが、構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、２つの入力の第１の入力に結合可能なエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、２つの入力の第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、第２の正レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、２つの入力の第２の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が正レギュレータデバイスの外面に位置しており、(iv)３つのレギュレータデバイスの第３のレギュレータデバイスが、構造Bを有し、各々エフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、負レギュレータデバイスが、最初に閉構成にあり、シグナル分子が負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、シグナル分子が負レギュレータデバイスの外面に位置しており、及び(v)２つのエフェクタデバイスの第２のエフェクタデバイスが、構造Aを有し、最初に閉構成にあり、２つの入力の第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、
２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第１の入力及び第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第１の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第２の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズするとき、ゲートの２つの出力の第１の出力が、論理オン状態にあり、
２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、第２の入力及び第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、第２の正レギュレータデバイスのシグナル分子が、２つの入力の第１の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域にハイブリダイズし、
両方の入力が存在するとき、２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、２つの入力が、それぞれ最初にアプタマー領域にハイブリダイズされたラッチ領域を置換するように、２つの入力の第２の入力が、２つの入力の第２の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのアプタマー領域に結合し、負レギュレータデバイスの２つのシグナル分子の各々１つが、２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスのラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズし、これによりエフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は２つのエフェクタデバイスの第１のエフェクタデバイスが、開構成に遷移するのを防止でき、
各シグナル分子が、ラッチ領域の異なる１つを置換するように、２つの入力の第１の入力が、２つの入力の第１の入力に結合可能な２つのエフェクタデバイスの第２のエフェクタデバイスのアプタマー領域の各々１つに結合するとき、２つの入力の第１の入力のみが存在する場合、ゲートの２つの出力の第２の出力が論理オン状態にある。
【０１０３】
本発明の各種論理ゲートのある実施形態、つまりNAND,NOT,OR,XOR 及び制御NOTゲートにおいて、エフェクタデバイスが開構成にあるとき、ペイロードの各々１つが、エフェクタデバイスの外面に位置している。
【０１０４】
この研究において、バイオテクノロジーに触発された集団挙動として、人工クオラムセンシング(QS)に焦点を当てた[Bassler,
B.L., et al., 2006]。QSは、微生物が情報を伝達し、シグナル分子を蓄積してそれらの挙動を調整する現象である。QSによりバイオフィルム形成[Davies, D. G. et al., 1998]、生物発光 [Engebrecht, J. et al., 1984]、胞子形成 [Grossman, A.D. et al., 1995]、及び個体群密度による病原性因子分泌 [Miller, M.B. et al., 2002; Hentzer, M., et al., 2003] 等の細菌の表現型の調節を可能にする。細菌に集団挙動が存在するとは当初考えられていなかったが、今や多くの種に存在することが知られており、おそらく進化の初期にも現れる[Lerat, E. et al., 2004]。個体群密度依存群挙動も動物において一般的であり[Bowler, D.E. et al. 2005; Hauzy, C. et al., 2007; Kim, S. Y. et al., 2009; karels, T. J. et al., 2000]、神経ホルモン挙動回路により媒介される [Nephew, B. C. et al., 2003]。
【０１０５】
集団挙動は、コンピューティングとロボティクスにおいて強力なパラダイムであり、QSはこの目標を達成する戦略であったことを実証した。興味深いことには、QSはナノロボットの群れの挙動を調節する機構として提案されている。特に、集団挙動を示すナノロボットは、医学に大きな影響を与えうる。しかし、この技術は、実際にはまだ実現されていない。ここで、上述したDNAナノロボットに基づくこの目標に向けた初期設計を示す。
【０１０６】
QSは、ナノロボットの個体群密度に比例して環境に構築される、各々の個別のナノロボットにより生成される信号に基づいている。その後、各々のナノロボットは、この信号を検出し、濃度依存機構により応答できなければならない。DNAナノロボットは、濃度に依存しアプタマーベースのゲート[Douglas, S. M. et al., 2012] を介して、「キー」と呼ばれるタンパク質分子に応じて活性化され、これらのタンパク質をQS信号として用いる良い候補にする。
【０１０７】
クオラムセンシングを輸送する核酸折り紙デバイスは、実施例２に示すように、生体内と試験管内両方で、濃度に依存して凝集し得ることが本発明により見出された。この実施例において、各々の個々のナノロボットの外面にも存在する１つ以上の他のオリゴヌクレオチドに相補的な各々の個々のナノロボットの外面に存在する１つ以上のオリゴヌクレオチドを接触させて、凝集するように作製できることも示した。またさらに、以下の実施例３は、薬物を輸送する核酸折り紙デバイスが高濃度に蓄積したときのみ、薬物が細胞に放出されるように、薬物送達を制御し得ることを示している。このようにして、標的細胞は、薬物が全身的に投与されたとき、よくあることだが、標的細胞が耐性を発現することができるかも知れない低薬物レベルになることはないが、短期間に全ての細胞を殺しそうな高い薬物レベルに暴露される。
【０１０８】
従って、他の態様において、本発明は、各々論理ゲートとして機能するシステムに関して上述したような構造A,B,又はCを有する複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスを含む、又はその代わりに、リポソーム、粒子又は人工細胞、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力から選択され、複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素が、所定の濃度で凝集し、(i) エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つが、他のエフェクタ核酸折り紙デバイスのアプタマー領域とハイブリダジング可能な第１のオリゴヌクレオチドに結合されたハンドル領域を含み、エフェクタ核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、デバイスの外面に位置しており、又は(ii) 構成要素の各々１つが、その外面に、(a) 第１のオリゴヌクレオチドに結合されたハンドル領域を含む短鎖と、(b) 他の複数の構成要素の第１のオリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能なように選択された第２のオリゴヌクレオチドを含むさらなる短鎖を含み、エフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素の各々１つが、開構成と閉構成とを有し、最初に閉構成にあるクオラムセンシングを示すシステムに関する。
【０１０９】
ある実施形態において、複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスが凝縮すると、複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つの第１のオリゴヌクレオチドは、少なくとも１つの入力の第１の入力として機能する第１のオリゴヌクレオチドが、他のエフェクタ核酸折り紙デバイスのラッチ領域を置換するように、他のエフェクタ核酸折り紙デバイスのアプタマー領域に結合し、これにより他のエフェクタ核酸折り紙デバイスが、開構成に遷移するのを促進できるようにする。
【０１１０】
ある実施形態において、エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ又は構成要素の各々１つが、少なくとも１つの入力の他の入力として機能する結合相手に結合可能なアプタマーを含むさらなる複数の短鎖を含み、特に、結合相手が標的抗原である。このように、エフェクタ核酸折り紙デバイスは、凝集し、所望の標的で活性化されやすい。
【０１１１】
ある実施形態において、エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、又は特に、構成要素の各々１つは、任意にリンカーを介してクオラムセンシング分子に結合されたハンドル領域を含み、クオラムセンシング分子は、少なくとも１つの入力のさらなる１つの入力として機能する。
【０１１２】
特定の実施形態において、リンカーは、ハンドル領域の配列に相補的な配列を有する第３のオリゴヌクレオチド、及び任意に酵素切断の認識部位を含むさらなる領域を含み、クオラムセンシング分子は、ハンドル領域への第３のオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションによりハンドル領域に結合している。このさらなる領域は、細胞外マトリックス分解酵素等のプロテアーゼによる切断のプロテアーゼ認識部位を含むペプチドリンカーを含んでもよい。
【０１１３】
幾つかの実施形態において、エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、又は構成要素は、その外面に位置したさらなる短鎖を含み、さらなる短鎖は、クオラムセンシング分子に結合された他のエフェクタ核酸折り紙デバイスの第３のオリゴヌクレオチド又は構成要素を置換するように、他のエフェクタ核酸折り紙デバイスのハンドル領域又は構成要素にハイブリダイジング可能なように選択され、、これにより第３のオリゴヌクレオチドに結合されたクオラムセンシング分子を遊離できる、第４のオリゴヌクレオチドを含む。このように、遊離されたクオラムセンシング分子は、存在するエフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素の濃度を示す。
【０１１４】
ある実施形態において、遊離されたクオラムセンシング分子は、エフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素の１つを閉構成から開構成に遷移させることが可能である。特に、クオラムセンシング分子は、チャンネル活性化剤及びペプチド等の膜透過化合物から選択される。
【０１１５】
ペプチドが、どのようにクオラムセンシング分子として機能し得るか示す非限定実施例が、リポソーム中に拡散可能で、生合成機構の動作を開始させる低分子ペプチド等の外部信号により動作を開始できるリポソームである。さらに、末端の正帯電ペプチド（GRKKRRQRRRPQ;
SEQ ID NO:2）で装飾されたDNAアームを示した。これはそれ自身がリポソームを貫通し、その機構の動作を開始できる。このプロセスは以下のようになる。1) 別々のリポソーム上のDNAアームが、リポソーム密度に基づき相互作用する。2) アーム相互作用により、上記のような正帯電ペプチドを含むDNA鎖を置換する。3) ペプチドを有する置換アームが、リポソーム中を貫通して、その内部機構を活性化させる。このプロセスは、リポソームのある濃度でのみ起こる（ステップ1）、鎖置換を開始（ステップ２）するので、クオラムセンシングを表す。
【０１１６】
ある実施形態において、クオラムセンシングペプチドは、膜の貫通が可能で、特定の実施形態において、配列KPLGMWSRC SEQ ID No:3又はGRKKRRQRRRPQを有している。 
【０１１７】
クオラムセンシングシステムのエフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素が凝集する濃度は、デバイス又は構成要素に付着された相互作用するオリゴヌクレオチド又はクオラムセンシング分子間で親和性を調節することで、クオラムセンシングシステムのエフェクタ核酸折り紙デバイス又は構成要素が凝集する濃度を較正できる。
【０１１８】
ある実施形態において、さらなる核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性が、クオラムセンシング分子に結合された核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性より高い場合、さらなる核酸分子は、他の複数の少なくとも１つのエフェクタデバイスのハンドル領域、又は他の複数の構成要素のハンドル領域にハイブリダイジング可能である。
【０１１９】
特定の実施形態において、さらなる核酸分子へのハンドル領域の結合親和性の会合定数は、さらなる核酸分子のハンドル領域との相補性の程度を調節することで選択される。また、クオラムセンシング分子に結合された核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性の会合定数は、ハンドル領域とのクオラムセンシング分子に結合された核酸分子の相補性の程度を調節することで選択される。
【０１２０】
さらなる実施形態において、さらなる核酸分子及びクオラムセンシング分子に結合された核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性の会合定数の各々１つは、さらなる核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性が、さらなる核酸分子の所定の濃度で、クオラムセンシング分子に結合された核酸分子に対するハンドル領域の結合親和性よりも高くなるように選択される。
【０１２１】
さらなる態様において、本発明は、論理ゲートとして動作するシステム、又は上記で定義した構成のいずれか１つにおいてクオラムセンシングを示すシステムを含む医薬組成物、及び薬学的に許容可能な担体を提供する。
【０１２２】
本発明で用いられる医薬組成物は、１つ以上の生理学的に許容可能な担体又は賦形剤を用いて従来の方式で処方される。この担体は、組成物の他の成分と親和性がある意味で「許容可能」でなければならず、その受容体に有毒であってはならない。
【０１２３】
以下の担体、投与方式、剤形等の例示を周知の可能性として掲載し、本発明で用いるためにそこから担体、投与方式、剤形等を選択し得る。しかしながら、当業者であれば、選択された任意の所与の製剤及び投与方式は、最初に試験して所望の結果を達成することを決定すべきことを理解するだろう。
【０１２４】
投与方法としては、非経口、例えば、静脈内、腹腔内、筋肉内、皮下、粘膜（例えば、経口、鼻腔、舌下、膣、直腸、眼球内）、髄腔内、局所的、及び皮内経路が挙げられるが、これらに限定されない。投与は全身的又は局所的である。ある実施形態において、医薬組成物は間脳投与に適合される。
【０１２５】
用語「担体」は、希釈剤、免疫賦活剤、賦形剤、又は活性剤と一緒に投与される媒体を指す。医薬組成物中の担体は、微結晶性セルロース等の結合剤、ポリビニルピロリドン（ポリビドン又はポビドン）、トラガントゴム、ゼラチン、澱粉、ラクトース、又はラクトース一水和物、アルギン酸、トウモロコシ澱粉等の崩壊剤、ステリアン酸マグネシウム又はラウリル硫酸ナトリウム等の潤滑剤又は界面活性剤、及びコロイド状二酸化ケイ素を含み得る。
【０１２６】
組成物は、注射、例えば、大量瞬時注射又は持続注入による非経口投与用に処方し得る。注射用製剤は、単位剤形、例えば、保存剤を追加したアンプル又は反復投与容器で提供し得る。この組成物は、懸濁液、油性又は水生媒体中の溶剤又は乳剤の形態を取り得、懸濁、安定化剤及び/又は分散剤等の調合剤を含み得る。あるいは、有効成分は、使用前に、適切な媒体、例えば、発熱物質除去蒸留水で構成する粉末状であってもよい。
【０１２７】
例えば、鼻噴投与用の吸入投与の場合は、本発明に係わる医薬組成物は、適切な噴霧剤、例えば、ジクロロジフルオロメタン、トリクロロフルオロメタン、ジクロロテトラフルオロメタン、二酸化炭素、又はその他の適切なガスを用いた、与圧パック又は噴霧器からのエアロゾルスプレーの形態で従来法により送達される。与圧エアロゾルの場合は、単位剤形は、計量した量を送達する弁を設けることで測定し得る。吸入器又は注入器で用いる、例えば、ゼラチンのカプセル及びカートリッジは、化合物の混合粉体及びラクトース又は澱粉等の適切な粉末系を含むように処方し得る。
【０１２８】
ある実施形態において、医薬組成物は、上述したような任意の周知の方法により投与するために処方される。
【０１２９】
本発明を以下の非限定実施例により例示する。
【実施例】
【０１３０】
材料及び方法
長鎖
7249bp環状単一鎖DNA分子を以下の実施例で用いた（M13mp18DNA;New England Biolabs; NEB #N4040; SEQ ID NO:4）。
【０１３１】
短鎖
Integrated DNA
Technologies (SEQ ID NOs:5-282)から購入した。全ての配列は5’〜3’の方向である。オリゴヌクレオチドは、超高純度のDNAse/RNaseを含まない水中で100μM濃度まで元に戻し、-20℃で貯蔵した。  
方法：
【０１３２】
ロボット製造
長鎖（最終濃度20nM）と短鎖短鎖（各鎖の最終濃度20nM）として、MI13mp18ssDNAを混合してロボットを最初に製造した。緩衝液と塩溶液は、5mM Tris, 1mM EDTA
(20℃でpH 8.0)と10mM MgCl2を含む。折り畳むために、混合物を熱アニーリングランプに供した。最初に、以下のプログラムを用いた。すなわち、2分/℃で80℃〜60℃、150分/℃で60℃〜20℃。
【０１３３】
折り畳まれたロボットの精製
折り畳んだ後、Amicon Ultra-0.5 mL, 100K centrifugal filters(Millipore)を用いて、遠心濾過により余分な短鎖を除去した。折り畳み緩衝液を総量が500μLに達するまで付加した。その後、10分間12,000gで試料を遠心分離した。これを３回繰り返した。分光光度計(Thermo Sci. NanoDrop 2000c) によりDNA濃度を測定した。
【０１３４】
折り畳まれた試料のゲル精製
主要な単量体バンドが紫外線テーブル上で可視化され、1.5%〜2%アガロースゲルから切除し（ランニングバッファは、10mM MgCl2が追加された0.5X  TBE）、-20℃で５分間凍結し、小さな断片に切って、Quantum Prep Freeze N’Squeeze DNA Gel Extraction spin column (Bio-Rad)内部で3分間13,000gで遠心分離した。回収した溶液のDNA濃度を分光光度計(Thermo Sci. NanoDrop 2000c)により測定し、透過型電子顕微鏡（TEM）によりイメージングするために作製した（図１A及び図１B）。
【０１３５】
TEM陰性染色法
手短に言えば、5μLの0.5M NaOHを100μL 2%ウラニル蟻酸溶液（Polysciences,
24762）の作り置凍結一定分量に付加し、続いて、３分間厳密にボルテックスし、その後、溶液を5分間18,000gで遠心分離し、沈殿物を除去した。グロー放電処置（Emitech K100X）の直後に、1〜5nMの濃度でロボット試料をTEMグリッド（Science Services,
EFCF400-Cu-50）上に注入し、続いて、0.1%ウラニル蟻酸溶液で２回連続して洗浄した。３回目の洗浄中、ウラニル蟻酸溶液で30秒間グリッドを培養した。試料は、陰性染色後、TEM顕微鏡（JEM-1400,JEOL）を用いて、1時間から１週間可視化した。ロボットは、２分/℃で80〜60℃及び150分/℃で60〜10℃の間折り畳んだ。又は５分/℃で80〜60℃及び75分/℃で60〜10℃（図示せず）の間折り畳んだ。実施例で用いたナノロボットの図式表現を図２に示す。
【０１３６】
ペイロード製造
４時間、37℃で水槽を振り動かして、25mMシステインを含むマウスのIgG分解緩衝液中で固定したフィシンによる市販のキット（Thermo）を用いて抗体を分解した。抗体Fab’断片を遠心濾過（Amicon, 10K MWCO Millipore）により精製し、分光光度計（Thermo Sci, NanoDrop 2000c）により評価した。抗体Fab’断片をpH8,5の0.05Mホウ酸ナトリウム緩衝液に緩衝液交換し、回転式振蕩機上にて室温で１時間DyLight Amine-Reactive Dye (Thermo)を用いて培養した。余分な染料は、Amicon 10K MWCO (Millipone)を用いて完全に除去した。抗体Fab’断片をpH4.7(Pierce #28390)の0.1M MES緩衝食塩水中で、1〜10のモル比で抗体5’-アミン修飾リンカーオリゴヌクレオチド（5AmMC6/GAACTGGAGTAGCAC(SEQ ID NO;283),Integrated DNA Technologies）を用いて１分間培養した。EDC(Thermo, #22980)を5000のモル比で１つのFab’断片に付加し、回転振蕩機上において、室温で１時間培養した。その後、Trisを10mMの最終濃度に付加し、Amicon column 30K MWCO (Millipore)を用いて溶液を濾過した。
【０１３７】
ロボットの装填
オリゴヌクレオチドFab’濃度を、260〜280nmでの吸収により評価した。折り畳み緩衝液(10mM MgCl2 in 1X TAE)中において、ペイロードの２倍のモル過剰で、回転振蕩機上において、室温で２時間注入部位への装填を行った。最後に、上述したように、装填したロボットを100K MWCO Amicon column (Millipore)を用いた遠心分離により洗浄した。
実施例１：ロボット相互作用設計
【０１３８】
ロボット間の刺激駆動衝突は、トーホールド(toehold)媒介鎖置換反応に基づいている。E,P,及びNロボットから延びるDNA鎖間の衝突を可能にするこの基本設計は、３レベルの相互作用に基づいている。第１レベルは、全てのロボット（E,P,及びN）のゲートのセンシング鎖との刺激それ自身（例えば、この研究におけるPDGF又はVEGF）の相互作用である。あるいは、Eゲートは、図３A〜３Cに示したようなP又はNいずれかとの相互作用もできる。
【０１３９】
EとPの間の相互作用
垂直軸の周囲を回転する矩形として、側面図である図３Aに模式的にロボットを示す。Eゲート相補的鎖は、５(Nとの衝突用トーホールド)、４（Pとの衝突用トーホールド）、3*(アプタマーと部分的に相補的)、及び1(ゲートをロボットの胴体（シャーシ(chassis)）に固定する(anchors))、の４つの領域（5’〜3’）を含んでいる。センシング鎖は、２（ゲートをロボットの胴体に固定)及び3(アプタマー)、の２つの領域（5’〜3’）を含んでいる。Pに装填されたキーは、3(この方式が同一の時のみ現れるセンシング鎖の領域)、4*(トーホールド４とハイブリダイズ)、及び6(ロボットへの装填配列)、の３つの領域(5’〜3’）を含んでいる。
【０１４０】
EとNの間の相互作用
適切な向きに配置された仮想側面を備えた正面図である図３BにEロボットを最初に示す。Nから延びるアーム（クラスプ）は、3(この方式において、唯一同一のセンシング鎖の部分)、4*(トーホールド４とハイブリダイズ)、5*(トーホールド５とハイブリダイズ)、及び6、の４つの領域（5’〜3’）を含んでいる。Nから延びる多数のアームは、Eの２つのゲートを固定する。これらはロボットの反対側（上下）に位置しているので、その結果、Eを適切に開けないことになる。
【０１４１】
EとFロボットの差動キーイングの構造的基礎
EとF は、PとNの衝突を命令する異なる領域から構成される。P1とP2ロボットは、Eゲート上の領域４と相互作用させることでEを符号化する（図３Ｃ）。Nロボットは、領域５と相互作用させることでEを閉じる。Fロボットは、領域４も５も含んでいないので、ロボットP1,P2,Nは、それと相互作用することができない。しかしながら、領域７と相互作用させることで、P3はＦを符号化する。Eを符号化できないのはそのためである。
【０１４２】
Nゲート相補的鎖が、領域５と４を欠くために、Nクラスプアームをそれらの領域とハイブリダイズできず、N自身を不活性化することに注意することは重要である。
【０１４３】
この基本的な設計に基づき、衝突媒介配列が選択され、結果として得られるシステムEP,EN,及びEPNが、ビジュアルDSD(vDSD; Lakin et al.(2011) Microsoft Research 27; 3211-3213)でモデル化され、プロトタイプ化された。次いで、これらの配列は、必要に応じて変更され、所望の性能と動特性を達成した。
【０１４４】
EP錯体の模擬実験動力学
0.1〜10の間で変化する化学量論のEとPロボットを、vDSD (図示せず)でシミュレートした結果、体外プロトタイプと矛盾しない、PがEを超える５のモル過剰であるとき、最速反応が起こることを発見した。
実施例２：生きている動物の治療分子を制御するナノロボット衝突ベースコンピュータ
【０１４５】
これらの研究で用いたナノロボットを示す方式を図2,図4Aに示す。簡素、密接に関連したモデルでの以前の経験、及び信頼性の高いカスタムメイド試薬の入手可能性といった様々な理由により、モデル動物として、昆虫Blaberus discoidalisを選択した[Bulmer, M.S. et al., 2009] 。重要なことに、B.discoidalisの血リンパは、無視できるほどの核酸分解酵素活性を示し、他の防翅目に対し報告されたように、大量の遊離DNAを含み[Garbutt, J.S. et al., 2012]、その塩分/金属成分がDNA折り紙構造を上手に支持している。このため、DNA折り紙ナノロボットは、昆虫の血リンパ中で比較的長期間生き延びることができる。内在性生物刺激として、常存性DNA断片をここで用いた。血リンパ中の安定性は、定量PCR（図示せず）により確認され、DNA刺激は、配列決定（図示せず）により定義された。
【０１４６】
エフェクタペイロードとして、蛍光抗昆虫抗体を注入し、刺激として、合成DNA断片を配列データから取得して、隔離された体外昆虫血球について最初にこのシステムを試験した。典型的なナノロボット混合物は、後述するように、0,1pmolのエフェクタナノロボットと、0.1pmol以上の各レギュレータナノロボットを含む。Eアーキテクチャは、タンパク質刺激を用いて以前に観察したように、ANDゲート挙動を示した（図4B,
5A）。明確にするために、ANDゲートの真理値表を以下に示す（kは「キー」を示す）。
2016522807.tif 000003
【０１４７】
EP1P2アーキテクチャは、1:1:1化学量論で部分的に良好な活性を示し、1:>2:>2で良好な活性を示した。これはORゲート挙動と密接に相関している。
孤立Eナノロボットのみの代わりに、EP1又はEP2ナノロボット錯体による標的細胞の結合は、エフェクタペイロードと異なる波長で放出しているリポーターペイロードをP1とP2に注入することで示した（図４C, 図５B）。明確にするために、ORゲートの真理値表を以下に示す。
2016522807.tif 000004
【０１４８】
最初に、EP1P2 (OR)に類似した第３のアーキテクチャEP1P2Nを実行した。NがE(図示せず)を超える10までのモル過剰にあったときのみXOR挙動を示した。
2016522807.tif 000005
【０１４９】
EP1P2Nアーキテクチャは、XOR (E出力)をAND (N出力)と一体化させ、これによりEP1とEP2錯体において、Eにより合計ビットがエフェクタペイロードに伝えられる１ビット加算器をエミュレートできる。従って、プログラムして、特定刺激の識別ではなく刺激数に応答することができる。EN錯体（EP錯体中と異なる）の両方のナノロボットが、直接向かい合い、互いに標的細胞に結合しないよう立体的に禁止するので、キャリービットは、Nにより伝えることができない。しかし、P1とP1により符号化されず、Nにより否定されない、第２のエフェクタナノロボット(F)を追加することで伝えることができる。従って、X又はYのみEを活性化し、一方、XYはFのみ活性化する（EはNにより否定される）（図４D,５C）。明確にするために、XORゲートの真理値表を上記に示す。
【０１５０】
格別重要なのが、カスケード接続されて、他のいかなるゲートも構築できる、NANDとNOR等の機能的に完全なゲートをエミュレートすることである。NANDアーキテクチャは、２つのナノロボット型に基づくことができる。すなわち、Eに類似しているが、ゲート鎖を欠くため、XとYの入力に関わらず、恒常的に開くEopenと、XYに応じて開き、その結果、Eopenを否定するNである。従って、このアーキテクチャは、XY に応じて0を生成し、さもなくば１を生成し（図４E）、EopenNの1:5化学量論でうまく実行される（図５D）。明確にするために、NANDの真理値表を以下に示す。
2016522807.tif 000006
【０１５１】
簡単なインバータは、NXと呼ばれる、NをプログラミングしてXのみに応答することで（ナノロボット上にXとYアームを配置する代わりに、２つの同一Xアームを配置して）、このNANDゲート（NOTゲートになる）から構成された。Xが存在しない場合（Eopenにより）、EopenNXアーキテクチャは1を生成し、Xが存在する場合（NXがEopenを否定して）（図４F）、0を生成し（図４F）、1:5化学量論で昆虫細胞上でうまく実行される（図５F）。NXゲートの真理値表を以下に示す。
2016522807.tif 000007
【０１５２】
１つ以上のエフェクタナノロボット（上述したEFP1P2Nと同様）に基づくアーキテクチャ）により、出力ビットを追加治療分子に伝えて、より複雑なゲート、可逆論理、及び２進数解読器を形成できる。そのようなアーキテクチャを実証するには、上述したような、E,P1,P2,及びNから構成される制御NOT (CNOT)ゲートを設計し、さらに、Nにより否定されない第２のエフェクタナノロボットF、及びXのみに応答し、Fのみを符号化する正レギュレータナノロボットP3を設計した。従って、1入力ビットがEによりXOR され、第２の出力ビットがFにより未変化でマップされる（図５F）。アーキテクチャE (AND; 図６A,図７),EP1P2 (OR; 図７)、EP1P2N (XOR; 図６B,図７)、Eopen; N (NAND;
図６C,図７)、及びEFP1P2P3N(CNOT; 図示せず)を、生体外で定義された化学量論で処方し、生きている昆虫中で試験し、良い結果が得られた。
【０１５３】
非定型コンピューティングの他の形態のように、ここで示した衝突ベースのシステムの主要な特徴は、可逆ロジックである[Liu, D. et al., 2011; Cervera, J.et al., 2010]。この特徴により、元の刺激をナノロボットの最終状態から明確に推測することを可能にし、その結果、動物の生理学的及び生化学的条件についての重要な情報が明らかになる。従って、活性化されたナノロボット錯体を抽出し、それらの出力を読むことで、このシステムを診断ツールとして用いることができる。
【０１５４】
特に、アプタマーベースのゲートは、開動力学と統計に関してモデルを構築するのが非常に困難で、トーホールド駆動置換ゲート開閉を再現性良く設計でき[Zhang, D.Y. et al., 2011; Zhang, D.Y. et al., 2009]、この研究において、非常に効率的であることが判明したが、これは核酸刺激を用いなければならず、表面上は、我々の設計の応用範囲を制限してしまう。
【０１５５】
我々の研究結果は、生体系において粒子を拡散させる確率的衝突ベースのコンピューティングの実現可能性を実証した。55,000立方ナノメートルまでの体積と５メガダルトンの質量を持つナノロボットは、効率的衝突に十分な媒体中で拡散係数を有する。しかし、この研究結果は、化学量論の重要性も強調した。エフェクタとレギュレータ衝突により適切な錯体の発生率が高くなること確実にするために、レギュレータは、エフェクタよりも多量に必要である。1:1の比で、錯体形成は、約50%までのエフェクタ制御因子対と、25%までの錯体を形成しないエフェクタとレギュレータでもっともらしくポアソン分布になっている。ここで説明したアーキテクチャは、多くても２ビットを処理可能である。しかし、２つの「プロセッサ」からの出力は、３番目のプロセッサにカスケード接続して、処理能力を設計可能な独特のゲートキーシステムの可能な数によってのみ制限して、4,8,16ビット等から処理能力を向上できる。
【０１５６】
上記で説明した論理NOTゲートは、いわゆるアシモフ多段システムに用いることができ、もしかすると正常な細胞を傷つけるかも知れないエフェクタロボットは、アイザックアシモフにより考案されたロボット三原則の１つに従いそのようにすることを防止する。これは「 [a] ロボットは人間に危害を及ぼしてはならず、また、その危険を看過することによって、人間に危害を及ぼしてはいけない」というものである。アシモフシステムで用いたNOTゲートは、２つのロボット個体数から構成しても良い。すなわち、(1) エフェクタ分子（例えば、薬物）を輸送するEo(Eopen)ロボットと、(2) 損傷（つまり、損傷識別子分子の存在）に応じてEoロボットを閉じるNロボットである。
【０１５７】
損傷識別子が、非特異的な細胞（例えば、miR-16等の正常細胞の損傷を反映するmicroRNA）外に漏れるたびに、Nは活性化しEを閉じる。この相互作用は、Eoを超える10までのモル過剰になるNが必要である（図８A）。１つの損傷識別子が、損傷細胞の選択性と識別性を達成するのに十分でない場合、多段アシモフシステムもNANDゲートで実現できる。２つ以上の識別子を組み合わせることで、損傷細胞の識別をより正確に推測できる（図８B）。
実施例３：集団挙動を示すDNAナノロボット
【０１５８】
３つの構成要素を化学的に接合してQS信号発生器を構成した。すなわち、選択キー、切断可能な係留、及び上述したように、ナノロボット装填部位へ装填するDNA末尾(Ulc)である[Douglas, S.M., et al 2012]。切断され、ある刺激に応じて信号を拡散するように係留を設計した。係留として、ペプチド係留配列KPLGMWSRC(SEQ ID NO:3)を用いた。これは細胞外マトリックス分解酵素（MMP）により切断される[Park, H.I.et
al 2002]。キー分子として、人間の血小板誘導成長因子BB(PDGF-BB)を選んだ（図９）。信号発生器U1c-KPLGMSRC-PDGF-BBをナノロボットに装填し、次いで、様々な個体数密度（29 〜18,000pMナノロボット）でMMP-2含有緩衝液中に配置した。動的光散乱法により、上述した観測と一致した状態間で切り替えることを示すナノロボットの密度依存構造的変化を実証した（図１０）。この観測は、信号発生器と同時にGFPを装填したナノロボットを用いて繰り返し、抗GFP抗体で被覆した小球体と混合した。MMP-2を付加すると、生成された信号がナノロボットの濃度依存活性化を誘発し、GFPを暴露し、それに続いて小球体への付着を案内する。フローサイトメトリー解析により、ゲートナノロボットの挙動をQS信号のゲートの親和性と相関付けることを明らかにした。一方、ロック解除されたナノロボットは、その抗体に対するGFPの高い親和性で相関付ける僅かに変化した動特性を示した（図11）。
【０１５９】
この挙動は、モデル生物として、昆虫Blaberus discoidalisを用いて生きている動物中で試験も行った。ここで、係留配列KIEARC (SEQ ID NO;1)、昆虫プロフェノール酸化酵素活性化プロテアーゼ(PAP)の基質を用いて異なる信号発生器を構成した[Gupta, S. et
al., 2005] 。この信号発生器及び蛍光標識された抗昆虫小血球抗体を装填されたナノロボットを、量を増加させて成虫B. discoidalisの血体腔中に注入した。後ほど、血液リンパを抽出し、フローサイトメトリーにより血球を解析し、ナノロボット個体数の状態（開/閉）を明らかにした。我々の解析は、細胞相互作用分子の制御に伝えられる、生きた昆虫中の活性状態へのナノロボットの密度依存遷移を実証した（図12）。
【０１６０】
これまで示した設計の起こり得る欠点は、信号発生器が即座に１回のみ動作し、長期間にわたり一群のナノロボットが調和して機能することを不可能にすることである。これに対処するため、ナノロボットに連結した小さなリポソーム内部の大量のQS信号を分類して、連続信号発生器を構成した。このナノロボットは、ある期間にわたって、QS信号を環境に放出することが可能であった（図示せず）。
【０１６１】
個々のナノロボットの外面にも存在する１つ以上の他のオリゴヌクオチドと相補的な個々のナノロボットの外面に存在する１つ以上のオリゴヌクレオチドを接触させることで、ナノロボットを凝集させることができる（図１３）。オリゴヌクレオチドの各対をハイブリダイゼーションさせることによりナノロボットを凝集させる。オリゴヌクレオチドの１つが、一緒にナノロボットを閉構成にしておく、最初にラッチ領域にハイブリダイズされたアプタマーである場合、アプタマーへの他の分子のハイブリダイゼーションが、ラッチ領域を置換させ、その後、ナノロボットを開かせる。このため、ナノロボットの外面に存在する２つのオリゴヌクレオチド間の相互作用により、両方を凝集させナノロボットを開かせるかも知れない。このように、閉構成のとき、ナノロボットの濃度が、凝集させ開かせるのに十分であるときのみ、ナノロボット内部に詰め込まれた薬物を放出することができる。
【０１６２】
上述した他のオリゴヌクレオチドは、相補的アプタマーオリゴヌクレオチドに結合することで、最初に不活性型に保持し得る。リガンドがアプタマーに結合したとき、他のオリゴヌクレオチドが放出され、上述したように、他のナノロボット上で相補的オリゴヌクレオチドと自由に相互作用する（図１４）。光散乱測定により評価したように、個々のナノロボットの大きさは、開構成にあるときよりも閉構成にあるときに大きい。この結果（図示せず；類似の結果は図１０を参照）より、実際に、個々のナノロボットの直径は、ナノロボットの濃度（密度）の増加に伴い縮小していることが分かった。
実施例４：クオラムセンシングを示すナノロボットによる薬物制御送達
【０１６３】
制癌剤薬物を装填されたロボットは、様々な濃度で癌細胞と混合された。別の試料では、遊離薬物も混合された。この結果により、ロボット誘発作用が、薬物誘発作用と異なり、異なる濃度で現れることを実証した。実際に、規定の投与量に達するまで活性化せずに、高投与量を蓄積できるので、ここでクオラムセンシングは、薬物の治療可能時間域を向上させた。
参考文献
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2016522807.tif 000009
2016522807.tif 000010
2016522807.tif 000011
【図７】
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【図８Ａ】
2016522807.tif 000013
【図８Ｂ】
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【図１０】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2016522807.tif 000020
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【配列表】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月20日(2016.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
論理ゲートとして機能するシステムであり、前記システムが、少なくとも１つのエフェクタデバイス、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力を含み、
前記少なくとも１つの及び前記少なくとも１つのレギュレータデバイスの各々１つは、長鎖と複数の短鎖とを含み、独立して構造A,B,又はCを有する核酸折り紙デバイスであり、
前記構造Aにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む結合相手に結合可能な(a)アプタマー領域、他の前記少なくとも１つのDNA結合タンパク質を結合可能な(b)オリゴヌクレオチド、又は(c) 前記少なくとも１つのさらに他の入力を含む電磁場を受容可能なナノアンテナに付着されたオリゴヌクレオチドのいずれかを含み、又は前記短鎖の１つが、(a) のアプタマー領域を含み、他の前記短鎖が、(c) のオリゴヌクレオチドを含み、
(ii) 前記短鎖の他の鎖が、(a) の前記アプタマー領域若しくは(b) 又は(c)の前記オリゴヌクレオチドにハイブリダイズ又は結合されたラッチ領域を含み、前記ラッチ領域配列は、前記結合相手が前記ラッチ領域を置換するように、(a)の前記アプタマー領域が前記結合領域に結合可能なように選択され、又は前記ラッチ領域が前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、前記ラッチ領域が、第１の条件下で第１の構成を有し、別の第２の条件下で第２の構成を有するように選択された結合相手に結合され、(a)の前記アプタマー領域又は(b)の前記オリゴヌクレオチドが、前記第１の構成を有する前記結合相手に結合できるが、前記結合相手が前記第１の構成から前記第２の構成に遷移したとき、前記ラッチ領域が、(a)の前記アプタマー領域又は(b)の前記オリゴヌクレオチドから除去されるように、前記第２の構成を有する前記結合相手に結合できず、又は(c)のナノアンテナが前記電磁場を受けると、誘導結合を受け、その後加熱され、これにより前記ラッチ領域を(c)の前記オリゴヌクレオチドから除去し、
(iii) 互いにハイブリダイズ又は結合されたとき、(a)の前記アプタマー領域又は(b) 又は(c)の前記オリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が、前記デバイスを閉構成に保持し、前記アプタマー領域又は前記オリゴヌクレオチド、及び前記ラッチ領域が、互いにハイブリダイズ又は結合されていないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Bにおいて、
(i) 前記短鎖の１つが、前記少なくとも１つの入力を含む第１の結合相手に結合可能な第１のアプタマー領域を含み、
(ii) 前記短鎖のもう１つが、前記少なくとも１つの入力の他の１つを含む第２の結合相手に結合可能な第２のアプタマー領域を含み、
(iii) 前記短鎖のさらにもう１つが、前記第１のアプタマー領域にハイブリダイズされた第１のラッチ領域を含み、前記第１のラッチ領域配列は、前記第１の結合相手が前記第１のラッチ領域を置換するように、前記第１のアプタマー領域が前記第１の結合相手に結合可能なように選択され、又は前記第１のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように選択された外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(iv) 前記短鎖のなおもう１つが、前記第２のアプタマー領域にハイブリダイズされた第２のラッチ領域を含み、前記第２のラッチ領域配列が、前記第２の結合相手が前記第２のラッチ領域を置換するように、前記第２のアプタマー領域が前記第２の結合相手に結合可能であるように選択され、又は前記第２のラッチ領域が、前記アプタマー領域を置換するように外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能であり、
(v)前記第１のアプタマー領域が前記第１のラッチ領域にハイブリダイズしたとき、及び/又は前記第２のアプタマー領域が前記第２のラッチ領域とハイブリダイズしたとき、前記核酸折り紙デバイスが閉構成にあり、前記第１のアプタマー領域が前記第１のラッチ領域にハイブリダイズされていないとき、及び前記第２のラッチ領域が前記第２のラッチ領域にハイブリダイズされてないとき、前記デバイスが開構成に遷移し、
前記構造Cにおいて、
(i) 前記短鎖の２つの鎖が、各々外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合されたラッチ領域を含み、前記外部オリゴヌクレオチドが、前記核酸折り紙デバイスの他の１つに位置しており、
(ii)外部オリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能な前記オリゴヌクレオチドの各々１つが、前記外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされていないとき、前記核酸折り紙デバイスが開構成にあり、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジンング可能な前記オリゴヌクレオチドの両方が前記が外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイズされたとき、前記デバイスが閉構成に遷移し、
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスが、アルキル化、アシル化、又はヒドロキシル化され、又は二重鎖核酸の大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な化合物と相互作用するため、核酸分解酵素に対し耐性があり、及び/又は
前記少なくとも１つのエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、及び前記少なくとも１つのレギュレータ核酸折り紙デバイスは、TLR9認識配列が欠如し、又は前記核酸折り紙デバイスの前記TLR9認識配列がマスク又は修飾されるため、前記核酸折り紙デバイスが非免疫原性でありることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記核酸折り紙デバイスの各々１つが、メチル化、好適にはCpGジヌクレオチドであること特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
二重鎖核酸の前記大きな溝又は小さな溝に非共有結合可能な前記化合物が、ネトロプシン、ジスタマイシン、オリゴアミド、糖オリゴアミド接合体、又はビスアミヂンから選択されること特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの核酸折り紙デバイスの１つ以上のさらなる短鎖が、各々任意にリンカーを介して、ペイロードに結合されたハンドル領域を含み、前記ペイロードの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの出力の１つであり、任意に前記ペイロードの少なくとも１つが、前記少なくとも１つの入力の１つ、又は前記少なくとも１つの入力をエミュレートすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記リンカーが、前記ハンドル領域の前記配列に相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドを含み、任意に酵素切断認識部位を含むさらなる領域を含み、前記ペイロードが、前記ハンドル領域への前記オリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションにより前記ハンドル領域に結合され、前記さらなる領域が、任意に細胞外マトリックス分解酵素等のプロテアーゼによる切断のプロテアーゼ認識部位を含むペプチドリンカーを含み、又は、前記リンカーが、パラセタモールを結合可能なシクロオキシゲナーゼタンパク質、テトロドトキシンを結合可能なナトリウムチャンネルサブユニット、及びジゴキシンを結合可能な抗ジゴキシン抗体等の小分子を結合可能なタンパク質を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ペイロードは、各々独立してインスリン、抗体又はその断片、細胞表面受容体リガンド又はその生物学的に活性な断片、小分子、オリゴヌクレオチド等の核酸分子、核酸分解酵素、アプタマー、脂質、多糖、タンパク質、糖タンパク質、糖脂質、ナノ粒子、フルオロフォア、放射性化合物、ナノアンテナ、又はリポソーム等の薬物であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが閉構成にあるとき、前記ペイロードの少なくとも１つが前記核酸折り紙デバイスの内面に位置するように選択され、前記開構成に遷移することにより前記ペイロードを前記核酸折り紙デバイスの外面に位置させ、又は、少なくとも１つの前記核酸折り紙デバイスの前記短鎖の１つは、前記デバイスが閉構成にあるとき、前記デバイスの外面に位置したハンドル領域を含み、前記開構成に遷移することにより前記ペイロードを前記核酸折り紙デバイスの内面に位置させ、任意に前記ハンドル領域が、オリゴヌクレオチド又はリポソームから選択されたペイロードに結合されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記構造A又はBを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、前記第１の領域が、各々結合相手に結合可能な(a)の前記アプタマー領域又は各々DNA結合タンパク質を結合可能な(b)のオリゴヌクレオチド、又は各々ナノアンテナに付着された(c)の前記オリゴヌクレオチドを含み、及び前記第２の領域が前記ラッチ領域を含み、
前記第１の領域の第１の端部が、少なくとも１つの単一鎖核酸ヒンジ(hinge)により前記第２の領域の第１の端部に付着され、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記ラッチ領域への前記アプタマー領域又はオリゴヌクレオチドの各々１つのハイブリダイゼーション又は結合によりそれぞれ前記第２の領域の前記第２の端部に付着され、
前記構造Cを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つにおいて、前記複数の短鎖は、前記核酸折り紙デバイスが第１の領域と第２の領域とを含むように選択され、前記第１の領域と前記第２の領域の各々１つが、外部オリゴヌクレオチドとハイブリダイジング可能なオリゴヌクレオチドに結合された前記ラッチ領域の１つを含み、任意に前記第１の領域の第１の端部が、少なくとも１つの単一鎖核酸ヒンジにより前記第２の領域の第１の端部に付着され、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記第２の領域の前記第２の端部に付着されていなく、任意に
前記構造A又はBを有する前記核酸折り紙デバイスの少なくとも１つの前記複数の短鎖は、前記アプタマー領域の各々１つが、その各々の結合相手により接触された場合、及び/又は前記ナノアンテナの各々１つが、電磁場を受け、誘導結合を受け、その結果発熱する場合、前記第１の領域の前記第２の端部が、前記第２の領域の前記第２の端部に付着されないように選択され、
前記構造Cを有する前記核酸折り紙デバイス少なくとも１つの前記複数の短鎖は、前記ラッチ領域の各々１つが前記外部オリゴヌクレオチドの異なる１つにハイブリダイズされた場合、前記第１の領域の前記第２の端部が前記第２の領域の前記第２の端部に付着されるように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記結合相手の各々１つが、独立して腫瘍関連抗原、細胞膜受容体、分泌又は膜結合成長因子、ホルモン、サイトカイン、リガンド、ケモカイン、細菌、ウィルス又は寄生虫抗原、脂質、オリゴヌクレオチド、糖、シグナル分子、酵素、又はDNA結合タンパク質から選択される抗原であり、好ましくは前記酵素はグルコキナーゼであり、(a)の前記アプタマー領域は、前記第１の構成を有する前記グルコキナーゼに結合可能であるが、前記第２の構成を有する前記グルコキナーゼに結合できず、又は前記DNA結合タンパク質はグルコース応答因子であり、(b)の前記オリゴヌクレオチドは、前記第１の構成を有する前記グルコース応答因子に結合可能であるが、前記第２の構成を有する前記グルコース応答因子に結合できないグルコース応答調節配列であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
各々ペイロード、少なくとも１つのレギュレータデバイス、少なくとも１つの入力、及び１つの出力に結合された１つ以上のハンドル領域を有する１つのエフェクタデバイスを含み、前記エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記出力が第１の出力状態を有し、前記エフェクタデバイスが開構成にあるとき、第２の出力状態を有し、好ましくは前記第１の出力状態が論理オフ状態に対応し、前記第２の出力状態が論理オン状態に対応し、前記ゲートは、（ａ）２つの入力を含み、両方の入力が存在しない場合、論理オン状態にある論理NANDゲートであって、前記システムが１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Cを有し、最初に開構成にあり、
(ii) 前記レギュレータデバイスが、前記構造Bを有し、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能な単一分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、前記負レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズされたとき、前記ゲートが論理オン状態にあり、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成へ遷移することを防止できる論理NANDゲート；
（ｂ）１つの入力を含み、前記入力が存在しない場合、論理オン状態にある論理NOTゲートであって、前記システムが１つのエフェクタデバイスと１つのレギュレータデバイスとを含み、
(i)前記エフェクタデバイスが前記構造Cを有し、最初に開構成にあり、
(ii)前記レギュレータデバイスが、前記構造Aを有し、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能な単一分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含む負レギュレータデバイスであり、前記負レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記入力が存在するとき開構成に遷移し、
前記シグナル分子が、前記負レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズするとき、前記ゲートが論理オン状態にあり、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成へ遷移することを防止できる論理NOTゲート；
（ｃ）２つの入力を含み、前記２つの入力の少なくとも１つが存在する場合、論理オン状態にある暗黙的論理ORゲートであって、前記システムが１つのエフェクタデバイスと２つのレギュレータデバイスと含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき、開構成に遷移し、
(ii) 前記２つのレギュレータデバイスの前記第１のデバイスが、前記構造Aを有する第１の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記２つの入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第１の正レギュレータデバイスが、最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iii) 前記２つのレギュレータデバイスの前記第２のデバイスが、前記構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジンズさせることで、前記２つの入力の前記第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第２の正レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第２の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が、前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
前記２つの入力が、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、
前記第１の入力及び前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ前記アプタマー領域に最初にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブルダイズし、
前記第２の入力及び前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、それぞれ前記アプタマー領域に最初にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第２の正のレギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズする暗黙的論理ORゲート；
（ｄ）２つの入力を含み、前記２つの入力の１つのみが存在する場合、論理オン状態にある排他的論理OR (XOR)ゲートであって、前記システムが１つのエフェクタデバイスと３つのレギュレータデバイスを含み、
(i) 前記エフェクタデバイスが前記構造Bを有し、最初に閉構成にあり、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、
(ii) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第１の入力が、前記構造Aを有する第１の正レギュレータデデバイスであり、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第２の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第１の正レギュレータデバイスが最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第１の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第１の入力が存在するとき、開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(iv) 前記３つのレギュレータデバイスの前記第２のデバイスが、前記構造Aを有する第２の正レギュレータデバイスであり、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイジングさせることで、前記２つの入力の前記第１の入力をエミュレーティング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された１つのハンドル領域を含み、前記第２の正レギュレータデバイスが最初に閉構成にあり、前記シグナル分子が前記第２の正レギュレータデバイスの内面に位置しており、前記２つの入力の前記第２の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記正レギュレータデバイスの外面に位置しており、
(v) 前記３つのレギュレータデバイスの第３のデバイスが、前記構造Bを有する負レギュレータデバイスであり、各々前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイジング可能なシグナル分子として機能する核酸分子に結合された２つのハンドル領域を含み、前記負レギュレータデバイスが最初閉構成にあり、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの内面に位置しており、両方の入力が存在するとき開構成に遷移し、前記シグナル分子が前記負レギュレータデバイスの外面に位置し、
前記２つの入力及び第１の正レギュレータデバイスが、それぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第１の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、又は、
前記第２の入力及び前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子がそれぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換するように、前記２つの入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記第２の正レギュレータデバイスの前記シグナル分子が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域にハイブリダイズし、
前記両方の入力が存在するとき、前記２つの入力が、ぞれぞれ最初に前記アプタマー領域にハイブリダイズされた前記ラッチ領域を置換し、前記負レギュレータデバイスの前記２つのシグナル分子の各々１つが、前記エフェクタデバイスの前記ラッチ領域の異なる１つにハイブリダイズし、これにより前記エフェクタデバイスが閉じるのを促進、又は前記エフェクタデバイスが開構成に遷移するのを防止できるように、前記２つの入力の前記第１の入力が、前記２つの入力の前記第１の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合し、前記２つの入力の前記第２の入力が、前記２つの入力の前記第２の入力に結合可能な前記エフェクタデバイスの前記アプタマー領域に結合するとき、前記ゲートが論理オン状態にある排他的論理OR (XOR)ゲートからなる群から選択されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
各々請求項1〜９のいずれか１項に記載された複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス、又は各々リポソーム、粒子又は人工細胞、少なくとも１つの入力、及び少なくとも１つの出力から選択された複数の構成要素を含み、前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素が所定の濃度で凝集するクオラムセンシングを示すシステムであって、
(i)前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記アプアタマー領域とハイブリダイジング可能な第１のオリゴヌクレオチドに結合された前記ハンドル領域を含み、前記エフェクタデバイスが閉構成にあるとき、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの外面に位置しており、
(ii) 前記構成要素の各々１つが、その外面に第１のオリゴヌクレオチドに結合されたハンドル領域を含む(a)短鎖、及び他の前記複数の構成要素の第１のオリゴヌクレオチドにハイブリダイジング可能なように選択された第２のオリゴヌクレオチドを含み、
前記核酸折り紙デバイスの各々１つ又は構成要素が開閉構成を有し、最初に閉構成にあることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスが凝集すると、前記少なくとも１つの入力の前記第１の入力として機能する、前記第１のオリゴヌクレオチドが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記ラッチ領域を置換し、これにより他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの開構成へ遷移するのを促進できるように、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つの前記第１のオリゴヌクレオチドが、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記アプタマー領域に結合し、任意に前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ、又は前記構成要素の各々１つが、他の少なくとも１つの入力として機能する結合相手に結合可能なアプタマーを含むさらなる短鎖を含み、好ましくは前記結合相手が、標的抗原であることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数のエフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素が、任意にリンカーを介してチャンネル活性化剤又は膜透過性化合物等のクオラムセンシング分子に結合されたハンドル領域をさらに含み、前記クオラムセンシング分子が、前記少なくとも１つの入力のさらなる１つとして機能し、任意に前記リンカーが、前記ハンドル領域の前記配列に相補的な配列を有する第３のオリゴヌクレオチド、任意に酵素切断の認識部位を含むさらなる領域を含み、前記クオラムセンシング分子が、前記ハンドル領域への前記第３のオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーションにより前記ハンドル領域に結合されており、前記さらなる領域が好ましくは細胞外マトリックス分解酵素等のプロテアーゼによる切断のプロテアーゼ認識部位を含むペプチドリンカーを含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの各々１つ又は前記構成要素が、その外面に位置したさらなる短鎖を含み、前記さらなる短鎖は、前記クオラムセンシング分子に結合された、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイス又は前記構成要素を置換し、これにより前記第３のオリゴヌクレオチドに結合された前記クオラムセンシング分子を遊離できるように、他の前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの前記ハンドル領域又は前記構成要素にハイブリダイジング可能なように選択された第４のオリゴヌクレオチドを含み、任意に前記遊離されたクオラムセンシング分子が、前記エフェクタ核酸折り紙デバイスの１つ又は前記構成要素を閉構成から開構成に遷移可能であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の医薬組成物及び薬学的に許容可能な担体。
【国際調査報告】
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