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Laboratory for Physics on Bio-inspired Intelligent Systems
(情報生命物理学研究室)

生命=ソフトマター×情報×非平衡性

情報を持ち情報を自ら操作できる柔らかい物質の非平衡系が生命です。このような観点から,生命システムに着想を得た知的・動的な分子システムの構築や,その物理的なメカニズムの解明を進めています.物理学,情報科学,生体分子科学,ソフトマター科学,ナノ・マイクロ工学を融合し,ウェット実験と計算機シミュレーションを駆使して研究を進めています.特に情報分子DNAと人工細胞の生物物理学とナノテクノロジーに関する研究には力を入れています.

理学的には,生命情報の根幹であるDNAや染色体等の高次情報分子システムの理解,ソフトマター集合体から生命システムのような非平衡動的な自律的な振る舞いや知性が創発する原理(生命と物質の境界)の理解などを通じて,「生命とは何か」という問題に迫ります.また,工学的には,生命システムの機能を凌駕するナノコンピュータやナノ・マイクロマシンの構築や,生体分子の世界とディジタル世界を繋ぐ情報ナノテクノロジーの構築にもチャレンジします.

近年は,人工細胞・人工細胞核・人工オルガネラなどの自律性のある複雑物質システムの構築とその物理現象の解明や,分子-ディジタルハイブリッドの分子ロボットに関するDNA物理情報デバイス工学の研究を進めています.

DNAと液滴の物理と情報

「生命=ソフトマター×情報×非平衡性」を体現する分子,DNA (read more ...)

DNAは二重らせん構造という対称性のある美しい構造をしています.DNAは,構造の頑強性があり,さらに,塩基配列情報に基づいて,形状や硬さなどの力学的な性質を変えたり,化学反応や相分離などの動的な現象を発現させたりできます.現在では,DNA二重らせん形成の統計熱力学的挙動は,自由エネルギー計算によってコンピュータで容易に予測することができ,静的な構造だけでなく,化学反応などを含む非平衡で動的な挙動も設計できます.

DNAはマルチスケールにおよぶ特徴的な分子物性や情報特性を持つ他に類を見ない物質です.一本鎖DNAは1 nmくらいで曲がってしまう柔らかい紐ですが,二重らせん構造になると60 nmの剛直な棒とみなせる硬さになります.DNAナノテクノロジーを利用すれば,1μmオーダーの頑強なナノ構造を合成することもできます.また,染色体DNAは,弛緩したコイル状態であれば1 mもあるのに,細胞核内では数μmに凝集した流動性のある動的なゲル/液体的状態になっています.この階層性はソフトマターに特有のシステムです.また,このような長い二重らせん構造の安定化には,長距離に渡って続く核酸塩基間のπ-π相互作用という電子の量子力学的な現象が強く効いているという点でも物理学的に興味深い分子です.一方で,その小さな物質の中に,数万遺伝子におよぶ大容量の情報を正確に保持できるだけでなく,ナノコンピュータ・ナノデバイスを作れたり,数万年も安定と期待されている大容量ストレージ(10億TB/g)も作れたりと,情報科学的な面でも特筆すべき特徴があります.DNAは,まさに,生命=ソフトマター×情報×非平衡性であることを体現している分子です.

また,細胞はfL〜pLの微小サイズの液滴(カプセル)であり,このような小さなスケールになると,液滴の界面張力や表面電荷,分子サイズや混雑効果,分子の少数性や反応のゆらぎ,強い非線形性や非平衡性など,mLサイズの試験管内での反応にはない影響が現れます.このような複雑で強いゆらぎがある系で,生命システムが化学反応で,どのようにして,安定で,効率よく,正確に分子情報処理を実現できているのかということは生命科学的にも興味深いですが,ナノサイズの分子コンピュータを作ることを考えると物理学的・情報科学的にも重要な問題です.

さらに,生命システムとエネルギー・熱・電子の流れのある非平衡系は重要な関係にあります.地球上の生命は太陽からの光エネルギーをうまく電子的なエネルギーに変え,生命活動に必要な仕事や情報処理を化学反応によって実現しており,このような観点でも,電子ナノデバイスや量子ナノデバイスの物理学とも関連があると考えられます.

生命システムは,物質を使って情報処理をする能力と,情報を使って物質を操作する能力を進化の過程で獲得した,特殊な物質の非平衡システムです.すなわち,生命システムは,物理・化学的な現象を用いて計算ができるということと,計算によって物理・化学的な仕事をすることができるということを示しています(自然計算).この自然計算の物理・化学的な原理に迫ることで,情報の物理の理解が進んだり,新しいナノコンピュータの開発が進んだりすることが期待されます.

最近の研究テーマ

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このような観点から,近年は,下記のような研究を精力的に研究しています.

  • ・DNAナノテクノロジーを利用した人工細胞核(人工染色体)の構築
  • ・人工クロマチンモデルによるRNA定量解析や,染色体の相分離の数理モデル・再構成実験などの生物物理学研究
  • ・DNAゲル・DNA液滴のBrown動力学シミュレーション
  • ・強化学習によるDNAゲルの塩基配列設計
  • ・ディジタル-分子情報変換を取り入れた分子コンピュータ・分子メモリの研究
  • ・DNAナノ構造を利用した細胞型分子ロボットの構築
  • ・免疫細胞であるマクロファージを模倣した分子ロボット群の開発
  • ・ナノミセルの帯電による電子輸送の非平衡系でのマイクロマテリアルの自発運動
  • ・粒子混雑効果を利用したマイクロマテリアルの自発的なラチェット輸送
  • ・人工細胞リアクタのコンピュータ制御
  • ・超微小非平衡開放系リアクタでの人工細胞核転写オシレータ