DNA Nanotechnology Group

研究纲要

自然界中存在的所有物质和生命体，都是由特定分子组装而形成的（例如动植物中的细胞），通过各种分子高度有序的反应它们的功能才得以实现。通过学习和模仿自然界中现有的系统，我们构建小规模的模拟系统。在这样的系统中，如果我们能人为地设计纳米级结构并在其中精确地排列分子，那么它可能是一项终极技术。因为这样的技术不仅能用于基础科学研究，还能用于制造物理和生物应用的新材料和设备。

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研究内容

生物分子（例如蛋白质和DNA）被广泛地用于创建纳米级空间结构。我们将DNA分子作为基本材料，构建可设计的DNA纳米级结构和空间（生物分子建筑），从而创建适用于成像，传感的纳米系统和纳米装置以及可运用于药物输送系统的新技术。基于DNA Origami技术，我们可以用DNA来组建纳米结构，并以纳米级精度在其中嵌入所需的分子。


DNA是制备各种纳米级结构和空间的最有前途的分子之一。正因为它具有这样的特性，我们才能够将多种功能分子和纳米材料整合到预设的纳米结构上，并且还能用它来构建大规模的复杂结构。通过使用DNA自组装系统“ DNA Origami”，我们小组专注于以下研究主题。（1）设计和构建新型2D和3D DNA纳米结构和空间；（2）程序化组装纳米结构使其形成2D和3D结构体系；（3）在预设的纳米空间中调控化学和酶促反应；（4）在预设的纳米结构中可视化和分析生物分子；（5）在预设的纳米空间中分析生物分子的物理性质；（6）新型DNA晶体的开发；（7）分子纳米器件的开发；（8）光学纳米材料的应用；（9）分子机器和机器人的应用；（10）开发用于细胞应用的新型传送系统；（11）诊断和医学应用。我们使用高速AFM成像系统来对各种分子和纳米结构进行实时观测。



使用DNA结构和空间创造技术的分子技术概述：（A）设计和开发各种形状和大小(nm～mm)的结构，空间和聚集体。（B）开发新型分子纳米系统。（C）开发利用纳米空间的分析系统。（D）在新型分子装置和功能材料上的应用。（E）在细胞功能控制和诊断医学上的应用。

DNA纳米结构的构建和功能化

我们使用DNA Origami方法设计和创建各种平面结构和三维结构。为了在创建的结构中添加各种功能，我们正在开发在特定位置固定分子的技术。

纳米级的程序安排和控制

我们正在开发一种可以按照预先设置的顺序排列DNA结构的系统。此外，我们也在开发一种可以响应外部刺激来控制结构组装和解离的系统。

生物分子运动的单分子成像

通过将靶DNA链固定在DNA结构上，我们可以进行酶促反应和DNA结构变化的单分子观察。 使用高速原子力显微镜（AFM）进行成像，可以实时捕获分子的运动。

纳米分子整合系统的开发

我们正在开发能对特定分子进行响应的功能分子系统。 我们能够精确地排列和堆积DNA结构中的分子，也能控制分子马达的运动和基因转录。

分子机械装置的开发

我们正在开发分子机械装置。 它受生物分子和光的驱动，并通过诸如DNA结构的结构变化之类的操作来实现其功能。 可运用于光学设备和分子递送。

单分子传感系统的开发

我们正在开发使用DNA结构与光镊结合来观测生物分子机能的单分子分析系统。我们用DNA构建的结构来模仿生物体内的狭小空间从而研究生物分子的物理特性。

生物应用

我们正在创建一种向细胞传递的系统，它使用一种胶囊状的DNA结构来对光做出反应，并在细胞内进行选择性的光学操作。 我们还正在开发一种具有光致抗蚀性的DNA材料，以控制干细胞的形态变化。

最新研究课题

1. 新型多维DNA纳米结构的设计，构建和功能化

2. DNA纳米结构的可编程多维排列

3. 使用DNA纳米空间控制化学和生化反应

4. 阐明生物学功能的单分子成像系统

5. 阐明DNA纳米空间中生物分子的物理性质

6. 开发新的DNA晶体结构并研究物理性质

7. 开发具有单分子功能的各种分子装置

8. 开发具有光学特性的纳米器件

9. 在分子机器和分子机器人中的应用

10. 开发用于细胞应用的新型传送系统

11. 诊断与医学应用

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