生命のナノマシンが「合成し、組み立てる」人工材料―プログラマブル材料工学の基盤技術として期待―

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2026-06-12 京都大学

京都大学、東京科学大学などの国際共同研究グループは、生命が行う材料形成プロセスを模倣し、2種類の生体分子ナノマシンを利用して人工的なDNAネットワーク材料を自律的に構築する技術を開発した。研究では、DNAを合成する酵素DNAポリメラーゼと、細胞内輸送を担う分子モーターであるキネシンを組み合わせた。まずDNAポリメラーゼが微小管上に長鎖DNAを合成し、その後、ATPをエネルギー源としてキネシンが微小管を滑走させることでDNA鎖を引き伸ばしながら連結した。この「化学的組み立て」と「機械的組み立て」の二段階プロセスにより、従来の自己集合だけでは形成できない階層的かつ動的なDNAネットワーク構造の作製に成功した。生体内では複数の酵素や分子モーターが協調して複雑な構造を形成するが、本研究はその仕組みを人工系で再現した点に特徴がある。成果は、材料そのものの分子設計だけでなく、材料の合成から組み立てまでの工程を設計する「プログラマブル材料工学」の基盤技術となる可能性があり、将来的には分子ロボットや分子コンピュータなど次世代ナノシステムへの応用が期待される。

生命のナノマシンが「合成し、組み立てる」人工材料―プログラマブル材料工学の基盤技術として期待―
2種類の生体分子ナノマシンによるDNAネットワークの動的形成(論文より)

<関連情報>

生体分子ナノマシンによるDNAネットワークのボトムアップ合成と能動的アセンブリ Bottom-Up Synthesis and Active Assembly of DNA Networks by Biomolecular Nanomachines

Farhana Afroze, Richard J Archer, Mahammad Mustakim, Rakesh Das, Arif Md. Rashedul Kabir, Yuuto Miura, Rubaya Rashid, Kazuki Sada, Tetsuya Hiraiwa, Shin-ichiro M. Nomura, Shogo Hamada, Akira Kakugo
Small  Published: 11 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smll.202514262

ABSTRACT

Active assembly of matter is a defining trait of living systems, enabling the creation of far-from-equilibrium materials essential for the functionality of life. This is achieved through energy-dissipative, multi-step processes facilitated by biomolecular nanomachines performing bottom-up chemical and mechanical assembly of matter. Mimicking such active assembly synthetically remains a challenge. Here, a bio-inspired bottom-up strategy for energy-dissipative material assembly, driven by biomolecular nanomachines and overcoming thermodynamic and diffusive constraints, is demonstrated. Specifically, two chemically-fueled biomolecular nanomachines—DNA polymerase and kinesin—are used to demonstrate a multi-step chemical synthesis and mechanical manipulation process. This results in a DNA biopolymer network with complex hierarchical morphologies unattainable by self-assembly alone. DNA polymerase generates DNA, which forms a fibrous 2D-network when actively connected and pulled between kinesin-powered motile microtubules. Experimental data and simulations show that both DNA-DNA interactions and active mechanical forces from molecular motors are essential to this process. Furthermore, key factors for network formation are investigated by systematically investigating DNA polymerase incubation time and microtubule density. The present work provides a key step toward bottom-up fabrication of complex and dynamic materials by mimicking the sophisticated assembly strategies of living systems, potentially providing a framework for future materials assembled by nanomachines.

細胞遺伝子工学
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