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研究テーマ

当研究室は、情報科学・生命科学・物理学の融合による新しい科学の開拓を目指しています。

そのため、バイオ・ナノテクノロジー実験と計算機シミュレーションを駆使して

  1. 物質を使った新しい計算の情報科学
  2. 適応・進化する人工細胞の合成生物学
  3. 生物のように自律的で知性のある物質の物理学

に関する研究を展開しています。

これにより、知性のある分子システム、適応・進化するナノロボットのような、生物のような高機能な生体情報システムを開発するとともに、生命システムの物理的な根源を構成的に理解していきます。これらは将来的には、生体内治療する人工細胞、薬剤送達ナノマシン、生物のように自己修復できる微小ソフトロボット、GNR革命など新しい原理に基づくコンピュータやナノサイズのモノをつなぐAI・インターネットなど様々な技術へ応用されていくと期待されます。

物質を使った新しい計算の情報科学 (Physical and Chemical Computing)

電子計算機だけではなく、分子、粒子、流体、量子、生物などの物質、物理系、自然現象を使った新しい計算手法である「物理・化学コンピューティング」の研究を進めています。生体内などで働くナノサイズの分子コンピュータの開発や分子プログラミング手法など新しい計算原理を開拓しています。たとえば、DNA演算による分子コンピュータでは、DNA配列という一次元テープ上の情報を読み取り、DNAのナノ構造が変わることが状態遷移になっていて、計算ができますし、化学反応による時空間パターン形成などもある種の計算になっています。細胞内での生化学反応ネットワークは分子反応回路による計算と言えます。つまり、生命システム自体がある種のコンピュータと考えられます。これらを実現するための分子反応手順はある種のアルゴリズムであり、分子プログラミングとも言われ、分子レベルの情報処理機構の設計論です。

また、物質、物理系、自然現象を電子計算機上でシミュレーションする「物理・化学シミュレーション」の研究も進めています。分子反応・遺伝子回路や複雑流体・自己駆動粒子・ゲル・ソフトマイクロマシンなどの系に関して、化学反応と物理現象がカップルしているようなマルチフィジックス・シミュレーションの開拓も目指します。分子の動き、化学反応、DNA論理回路などのシステムを微分方程式系でモデル化し、計算機上でのシミュレーションによってシステムの振る舞いを予測したり設計したりすることができます。マルチフィジックス・シミュレーションは、ナノテクノロジーからバイオ・メディカル・アグリ・エコ応用まで様々なシチュエーションで役に立ちます。

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キーワード:(1)物理・化学シミュレーション・数値計算(分子シミュレーション、モンテカルロ・シミュレーション、流体シミュレーション、化学反応シミュレーション、複雑系シミュレーション、ALife/Boid/セルオートマトン); (2)分子コンピューティング、分子プログラミング、DNAコンピューティング、DNA論理回路、自然計算(Natural Computing)、バイオコンピュータ、Molecular Intelligence; (3) 生命情報学、バイオインフォマティクス

適応・進化する人工細胞の合成生物学 (Synthetic Biology & Molecular Robotics)

私たち生命システムが非生命の物質からどのように創られているかを理解することは、生命科学だけでなく物質科学においても、未解明の重要な問いであることは間違いありません。そこで、生物の最小単位である細胞を模倣した原始細胞モデルや環境に適応し進化する人工細胞を構築することで、「生命とは何か?」を物理科学的に理解することや、あり得る生命を探求する非天然生物物理学の開拓を目指します。従来の要素還元的アプローチだけでは生命が生命たるシステム全体の振る舞いを知ることができませんが、構成論的アプローチを用いることで、そのような現象を理解することができます。また、細胞モデルを利用することで、ゆらぎの多い細胞内反応からロバストな生体情報処理が如何に実現されるかに迫ります。

さらに、DNAナノテクノロジー(DNAゲル、DNAオリガミ)を駆使しして、細胞模倣型の分子ロボットを構築して体内で診断や治療などをできるシステムの構築も目指します。最近は、DNAナノ構造集合体の新しい状態であるDNA液滴に着目し、その液-液相分離挙動によるダイナミックな人工細胞や分子ロボットの構築を行っています。たとえば、病気の診断をするDNA液滴コンピュータなどです。これらに加え、遺伝子工学や化学分析などを精度良く効率良く行うためのマイクロリアクタの開発も行っています。

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キーワード:(1)原始細胞モデル、人工細胞構築学、生命の起源、相分離生物学、非天然生物物理学; (2)DNAナノテクノロジー、RNAナノテクノロジー、分子ロボティクス、DNAゲル/DNA液滴、DNAオリガミ; (3)マイクロリアクタ、μTAS、化学チップ、分子センサー、バイオMEMS

情報生体高分子と自律的で知的な物質の物理学 (Biophysics & Living Soft Matter Physics)

生命システムを構成している、DNA/RNA、タンパク質、脂質などの生体高分子やコロイド粒子はソフトマターと呼ばれ、柔らかく大きいため、多自由度で、豊かな物性を示します。情報を持っているため、物理化学的な空間に加えて、情報学的な空間も使うことができるのが面白い点です。また、生命システムらしさの根源と言える、環境適応・自己修復・自己複製・進化などの能力は、単に分子を混ぜただけでは実現できず、非平衡開放系と呼ばれる、エネルギー・物質・情報の出入りが適切に制御され、分子反応が有機的に連携しているシステムでのみ実現されることが知られていますが、まだ研究は発展途上にあります。そこで、非平衡系における、情報ソフトマターの形成や階層的な自己組織化の方法を探求するとともに、電場等の外場による制御や、化学反応によるエネルギー代謝とのカップリングによる自律運動・集団輸送現象などのアクティブマターに関する研究を行っています。またそれらの知見を応用したマイクロマシンソフトロボットの開発も行っています。

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キーワード:(1)アクティブマター、ソフトマター、マイクロ流体、生物物理学; (2) 非平衡開放系、時空間秩序形成、自己組織化; (3) 電気/化学ハイブリッド、インテリジェントシステム、ソフトロボティクス