Ⅲ

未来ICT基盤技術

ＤＮＡナノ構造体でつくる分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク／平林 美樹

ＤＮＡナノ構造体でつくる分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク「複 雑 な 生 命 維 持 活 動を実 現 するソフトウェア、ハードウェア一体型のインテリジェントな情報素子であるDNA を利用した未来 ICT 技術の開発を行っています。」

平林 美樹（ひらばやし みき）
未来 ICT 研究所
バイオ ICT 研究室 主任研究員

私たちの脳は、DNA が造りだした究極のコンピュータです。その潜在的な能力を最大限に発揮するには、右脳と左脳をバランスよく活性化させることが重要であると考え、右脳への刺激を求めて、最近日本画を始めました。
目覚めた脳と旺盛な好奇心を学際領域の研究に活かして、夢はノーベル賞のグランドスラムです。

研究の背景
私たちは、
「細胞や生体分子システムの優れた機能を利用した情報通信の新概念につながる萌芽的な要素技術の開発研究」の一環として、プログラムに基づいて自律的に環境をコントロールすることができる生体材料で造られたセンサーロボットに関する研究を行っています。
ここでいうロボットとは、人間に代わって与えられた作業をこなす装置または、生物のような形や機能を持つ人工物を指します。私たちが目指すのは、ナノ/ ミクロ世界の分子通信物質や環境シグナルをセンシングし、それらの情報に基づいて、微小世界の状態を自律的に管理することができるインテリジェントな DNA ナノマシンです。例えば、微小世界の住人である微生物は、

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光ネットワーク技術

Ⅰ−１

放射性物質のような環境汚染源の除去や、農作物の品質や生産性の向上を可能にする様々な能力をもっていることが知られています。
ナノロボットが作るセンサーネット

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ワークを利用して、微小世界をコントロールすることで、そこに生きる微生物の多彩な能力を活かして、エネルギー、農 業、漁 業、医療などの分野で現代社会が抱える問題を解決し、次世代の安心・ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

安全で快適な生活の実現に貢献することが可能になります（図 1）。

図1

DNAセンサーネットワークとミクロワールド

センシングターゲット

Ⅰ−４新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

ここで紹介する DNA センサー
ロボットのセンシングターゲット
は、生 細 胞が生 産した核酸 分 子（DNA/RNA）です。核酸分子は、細胞内だけでなく、血液などの体図2

遺伝情報伝達の流れ

Ⅱ湖沼などの環境中にも広く存在しています。細胞細胞内の状態を報告したり、環境中にプールされ外の核酸分子は、細胞の崩壊によって放出されている特定の配列を回収してまわったり、細胞内るだけでなく、細菌の増殖時期の一定期間や、他で核酸分子の変動を監視して、細胞の状態をコ生物との相互作用あるいは、細菌同士の分子通ントロールするように設計することが可能です。

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

液中や、私たちをとりまく海洋や信によって分泌されることが知られています。こDNA を利用した遺伝子スイッチ

Ⅲ 未来

うして生じた核酸分子は、環境中に蓄えられると共に、細菌により再び細胞内に取り込まれて、子の修復等に用いられます。細胞外に存在するログラム」からなるソフトウェアと「プログラムを核酸分子のうち、血液などの体液中に含まれる実行して複雑な生命維持活動を実現する」
ハード

RNA は、細胞内の様子を反映して存在量が変ウェアの両者の機能を併せ持つインテリジェント動することから、生体内の生物学的変化を把握な情報素子です。生命の設計図となる遺伝情報するための指標（マーカー）として診断に用いられは「複製」により DNA から DNA へ、「転写」によています。

「翻 訳」により RNA からり DNA から RNA へ、DNA センサーロボットは、このように生命活タンパク質へと伝えられます（図 2）。生命活動は、動の状態を反映する核酸分子をセンシングしてこの「転写」と「翻訳」のタイミングを制御すること௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻI
CT

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

DNA は、「タンパク質をコードする塩基配列プ

基盤技術

貧栄養条件下での栄養源、変異を起こした遺伝195

Ⅲ

未来ICT基盤技術

ＤＮＡナノ構造体でつくる分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク／平林 美樹

で実現されています。これまで、このような制御二段目の配列には、転写酵素が近づくことがではタンパク質が行っていると考えられていました

きないため、ここにプロモータ配列を配置するこが、近年タンパク質をコードしていない核酸配列とにより、G4 スイッチ同様、転写機能をオフにすが積極的に関わっていることが明らかになってきることができます。TX 構造のオン / オフの切替ました。たとえば、DNA を構成する 4 つの核酸

えは環境中の情報分子（ここでは細胞が生産す塩基アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、る核酸分子）のセンシングにより行います。

チミン（T）のうち G に富んだ配列は、図 3 左に示すような立体的な四重鎖が連なるグアニン四重鎖（G4 ）とよばれる構造をとって、転写酵素の認識配列であるプロモータ配列に転写酵素が近RNA ア
TX スイッチは、プロモータの下流に、づけない状態を作ることで、「転写」のタイミングプタマーをコードした配列を組み込むことによ制御を行っていると考えられています（G4 スイッり、アプタマーが持つ様々な機能を実装することチ）。G4 構造のオン / オフの切替えは特定のイオができます。アプタマーとは、ターゲット分子とンを利用するなどして行われます。

特異的に結合して、様々な機能を発揮する核酸一方、DNA センサーロボットが搭載している等から成る機能性分子です。例えば、ターゲットのは、人工的に設計されたトリプルクロスオー

分子の持つ蛍光を増幅したり、毒性を弱めるなバー（TX）タイルを利用した人工遺伝子スイッチ

どの機能を実現することができます。また天然（TX スイッチ）です。TX タイルは三段構造をもっG4 スイッチと違って、人 工 TX スイッチは、TXた DNA モチーフです。図 3 右に TX スイッチを構造のオン / オフの切替えに、システムの目的にDNA 上に構成した例を示します。TX タイルが合ったセンシングターゲットを使用できるようにネットワークを形成しているときは、三段構造の設計することが可能です。

図3196

機能設計

人工遺伝子スイッチ光ネットワーク技術Ⅰ−１

図 4 に TX スイッチを搭載したシステムの例を示します。ここでは、TX モチーフは、4 本の短い一本 鎖 DNA が 自己 組 織化により相補鎖を交換して三段構造を作っワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２ています。次に末端に相補配列を持つモチーフ同士が結合して、ナノ構造体ネットワークを形成しまRNA/DNA シす。この集合体は、グナルをセンシングターゲットとして、これを認識すると構造変化

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３を起こし、モチーフに組み込まれたプロモータ領域に RNA ポリメラーゼとよばれる転写酵 素が作用できる状態になります。その結果プロモータ下流に組み込まれたⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

RNA アプタマー配列の転写が開始されます。これが 転写スイッチオンの状態で、オフになるまで繰り返し転写が実行されます。このアプタマー配列に MG（マラカイⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

トグリーン）アプタマーとよばれる配列を採用すると、センシング結果を MG の蛍光増加の有無により可視化することができます。その他の目的に応じた新しい機能を

図4

センサーロボットのイメージもったアプタマーは、人工進化とよばれる方法に今後の展望とができます。また人工材料と違って、複製、修アンビエントセンサーネットワーク社会は環境中に埋め込まれたアンビエントインテリジェンス（環境知能）が、自身でセンシングした情報を利易で、複雑な生命活動を実現することができる用して、私たちの暮らしを豊かにする様々なサー優れた能力を持ったインテリジェントマテリアル

ビスを提供してくれる社会です。生体材料の特性です。これらの特性を十分に活かすことにより、を生かした人工 DNA ナノ構造体を、ミッション

情 報 通信の新概 念につながる新しいナノセンを遂行する能力と判断力を持つインテリジェンサーネットワークの構築が可能になると考えらトロボットへと機能強化することで、本格的なれます。

アンビエントネットワーク社会が訪れると期待Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

DNA はこのように、機能や構造の設計が容I
CT基盤技術復、再生といった機能も実装可能です。

Ⅲ 未来

より、ランダム配列のプールから取り出してくるこされます。

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