JP2009183159A - Biological substance communication method and biological condition formation method - Google Patents

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Kenkin Ryu
健勤 劉
Kazuhiro Oiwa
和弘 大岩
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biological substance communication method for efficiently carrying out decoding even if the structure of loaded molecule is unclear. <P>SOLUTION: A transfer pathway 144 of a biomolecular motor 12 is formed between living cell substances 140 and 142. The biological substance communication method includes the steps of: providing a stimulation 150 to the first living cell substance 140; combining a signal transfer protein 158 formed by a signal transfer network 154 in the living cell substance 140 caused by the stimulation 150 with the biomolecular motor 12 in the living cell substance 140; detecting a signal transfer protein 182 formed by a signal transfer network 180 in the living cell substance 142 caused by the protein 158 by the transfer of the biomolecular motor 12 through the transfer pathway 144 and arrival at the living cell substance 142; and decoding the stimulation 150 provided to the living cell substance 140 by a code book based on the detected protein 182. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は生体物質を用いたコミュニケーション方法に関し、特に、モータたんぱく質を用いたコミュニケーション方法に関する。   The present invention relates to a communication method using a biological material, and more particularly to a communication method using a motor protein.

ナノバイオテクノロジーの発達に伴い、いわゆるユビキタス社会においてナノバイオテクノロジーを活用しようとする研究が盛んになっている。ナノバイオテクノロジーには、従来の通信技術はそのままでは適用できず、細胞内に存在する物質を利用することが必要になる。   With the development of nanobiotechnology, research to utilize nanobiotechnology in the so-called ubiquitous society has become active. For nanobiotechnology, conventional communication technology cannot be applied as it is, and it is necessary to use substances present in cells.

特許文献1には、モータたんぱく質であるキネシンを固定化した基板流路上に、モータたんぱく質と相互作用する微小管又はアクチンフィラメント等のキャリア分子をその流路上に沿って滑走運動させることができることを利用し、荷物分子をキャリア分子に積載して搬送した上で、所望の個所で荷物分子をキャリア分子から自律的に分離する技術が開示されている。   Patent Document 1 utilizes the fact that a carrier molecule such as a microtubule or an actin filament that interacts with a motor protein can be slid along the channel on a substrate channel on which kinesin, which is a motor protein, is immobilized. In addition, a technique is disclosed in which a load molecule is autonomously separated from a carrier molecule at a desired location after the load molecule is loaded on a carrier molecule and transported.

特許文献1はさらに、伝送したい情報を予め荷物分子に符号化し、荷物分子を積みおろす受信側で、符号化された情報を復号することにより、分子通信システムを実現することが示唆されている。
特開2007−111004号公報(段落7、8、及び49)
Patent Document 1 further suggests that a molecular communication system is realized by previously encoding information to be transmitted into a package molecule and decoding the encoded information on the receiving side for loading and unloading the package molecule.
JP 2007-1111004 (paragraphs 7, 8, and 49)

しかし、特許文献1に開示された技術では、荷物分子とキャリア分子との双方に一本鎖ヌクレオチドを結合しておき、これら一本鎖ヌクレオチド間で生じる二本鎖ヌクレオチド生成反応によって荷物分子をキャリア分子に積載する。この反応を起こすためには荷物分子がキャリア分子の近傍になければならず、効率よく荷物分子を受信側に搬送することができないという問題がある。また、受信側でも、荷物分子がキャリア分子からおろされた後、この荷物分子を抽出する必要がある。さらに、仮に荷物分子を抽出した後にも、荷物分子に符号化された情報を復号するためには荷物分子の構造を調べる必要があり、復号が効率的に行なえないという問題がある。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, single-stranded nucleotides are bound to both a cargo molecule and a carrier molecule, and the cargo molecule is transferred to a carrier by a double-stranded nucleotide generation reaction that occurs between the single-stranded nucleotides. Load on the molecule. In order to cause this reaction, the load molecule must be in the vicinity of the carrier molecule, and there is a problem that the load molecule cannot be efficiently conveyed to the receiving side. On the receiving side, it is necessary to extract the load molecules after the load molecules are removed from the carrier molecules. Further, even after the parcel molecule is extracted, in order to decode the information encoded in the parcel molecule, it is necessary to examine the structure of the parcel molecule, and there is a problem that decoding cannot be performed efficiently.

また、単に情報を伝達するだけではなく、荷物分子を用いて、生体物質の状態そのものを所望の状態に設定できれば好ましい。しかし従来は、そのような方法は提案されていない。   In addition, it is preferable that the state of the biological substance itself can be set to a desired state using not only information but also luggage molecules. However, conventionally, such a method has not been proposed.

それゆえに本発明の目的は、荷物分子の構造が不明でも、復号が効率的に行なえる、生体物質通信方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a biological material communication method capable of performing decoding efficiently even if the structure of the luggage molecule is unknown.

本発明の別の目的は、荷物分子を用いて、生体物質の状態を所望の状態に設定できるような生体状態生成方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method for generating a biological state in which the state of a biological substance can be set to a desired state by using luggage molecules.

本発明の第1の局面に係る方法は、第1の生体細胞物質から第2の生体細胞物質に情報を伝達する生体物質通信方法である。第1の生体細胞物質と第2の生体細胞物質の間には、第1の生体細胞物質内に存在する生物分子モータの移動経路が形成されている。この方法は、第1の生体細胞物質に、予め定められた一群の化学物質のうちの任意のものを与える刺激付与ステップと、刺激付与ステップにおいて第1の生体細胞物質に与えられた化学物質に起因して第1の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークにより生成する標的因子である第1のシグナル伝達たんぱく質を、第1の生体細胞物質内の生物分子モータと結合させる結合ステップと、結合ステップにおいて第1のシグナル伝達たんぱく質と結合した生物分子モータが移動経路を移動して第2の生体細胞物質に到達することにより、第1のシグナル伝達たんぱく質に起因して第2の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークによって生成する第2のシグナル伝達たんぱく質を検出する検出ステップと、検出するステップにおいて検出された第2のシグナル伝達たんぱく質に基づき、予め準備したコードブックによって第1の生体細胞物質に与えられた刺激を復号する復号ステップとを含む。   The method according to the first aspect of the present invention is a biological material communication method for transmitting information from a first biological cell material to a second biological cell material. Between the first biological cell material and the second biological cell material, a movement path of a biomolecular motor existing in the first biological cell material is formed. In this method, a stimulus applying step for giving any one of a predetermined group of chemical substances to a first biological cell substance, and a chemical substance given to the first biological cell substance in the stimulus applying step A binding step of binding a first signaling protein, which is a target factor generated by a signaling network in the first biological cell material, with a biomolecular motor in the first biological cell material; The biomolecular motor coupled to the first signaling protein moves along the movement path to reach the second biological cell material, thereby causing a signal in the second biological cell material due to the first signaling protein. A detecting step for detecting a second signaling protein produced by the transmission network, and detecting in the detecting step. Based on the second signaling protein was, and a decoding step of decoding the stimulus provided by the previously prepared codebook to the first biological cell material.

第1の生体細胞物質に刺激を与えると、その刺激に起因したシグナル伝達ネットワークにより、標的因子である第1のシグナル伝達たんぱく質が生成する。このたんぱく質を生物分子モータと結合させ、第2の生体細胞物質に搬送させる。第2の生体細胞物質にこのたんぱく質が到達すると、そのたんぱく質に起因して第2の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークによって第2のシグナル伝達たんぱく質が生成する。このシグナル伝達たんぱく質を検出し、それが何かを判定し、コードブックと比較することにより、第1の生体細胞物質に与えられた刺激が判明する。すなわち、第2の生体細胞物質側では、第1の生体細胞物質に与えられた刺激が何かを知ることができる。第1の生体細胞物質に与えられた刺激は、送信すべき情報を符号化したものと考えることができ、結局、第2の生体細胞物質側で、第1の生体細胞物質から送信された情報を復号することができる。   When a stimulus is applied to the first biological cell substance, a first signal transduction protein as a target factor is generated by a signal transduction network resulting from the stimulus. This protein is combined with a biomolecular motor and transported to a second biological cell material. When this protein reaches the second biological cell material, a second signal transducing protein is generated by the signal transduction network in the second biological cell material due to the protein. By detecting this signal transduction protein, determining what it is, and comparing it with the codebook, the stimulus applied to the first biological cell material is revealed. That is, on the second biological cell material side, it is possible to know what the stimulus given to the first biological cell material is. The stimulus given to the first biological cell material can be considered as encoding information to be transmitted. Eventually, the information transmitted from the first biological cell material on the second biological cell material side. Can be decrypted.

好ましくは、この方法は、送信対象の情報列にしたがい、刺激付与ステップで第1の生体細胞物質に与える刺激を変化させながら、刺激付与ステップ、結合ステップ、検出ステップ、及び復号ステップを繰返し行なうことにより、送信対象の情報列を第2の生体細胞物質に送信するステップをさらに含む。   Preferably, according to the information sequence to be transmitted, the method repeatedly performs the stimulus applying step, the combining step, the detecting step, and the decoding step while changing the stimulus applied to the first biological cell substance in the stimulus applying step. Thus, the method further includes the step of transmitting the information sequence to be transmitted to the second biological cell material.

送信対象の情報列にしたがって第1の生体細胞物質に与える刺激を変化させながら、上記したステップを繰返し行なうことにより、送信対象の情報列がシグナル伝達たんぱく質のシーケンスの形で第2の生体細胞物質側で検出できる。このシーケンスは送信対象の情報列を符号化したものと見ることができ、これをコードブックと比較することにより、送信された情報列を復号することができる。   By repeating the above-described steps while changing the stimulus applied to the first biological cell material according to the information sequence to be transmitted, the second biological cell material is converted into the sequence of the signal transducing protein. Can be detected on the side. This sequence can be regarded as an encoded information sequence to be transmitted, and the transmitted information sequence can be decoded by comparing it with a codebook.

本発明の第2の局面に係る方法は、第1の生体細胞物質に刺激を与えることにより、第2の生体細胞物質内に所望の状態を生成するための生体状態生成方法である。第1の生体細胞物質と第2の生体細胞物質の間には、第1の生体細胞物質内に存在する生物分子モータの移動経路が形成されている。第2の生体細胞物質のシグナル伝達ネットワークを使用して第2の生体細胞物質に所望の状態を生成するために、第2の生体細胞物質にどのようなシグナル伝達たんぱく質をどのようなシーケンスで与えればよいかが予め知られているものとする。この方法は、上記したシーケンスに応じ、第1の生体細胞物質内にシグナル伝達たんぱく質を標的因子として生成させるために与えるべき化学物質のシーケンスを特定するステップと、特定された化学物質のシーケンスにしたがい、第1の生体細胞物質に化学物質を刺激として与える刺激付与ステップと、刺激付与ステップにおいて第1の生体細胞物質に与えられた化学物質のシーケンスにより第1の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークにより順次生成する標的因子であるシグナル伝達たんぱく質を、第1の生体細胞物質内の生物分子モータと結合させる結合ステップと、結合ステップにおいて標的因子であるシグナル伝達たんぱく質と結合した生物分子モータにより、移動経路を経由して標的因子であるシグナル伝達たんぱく質を第2の生体細胞物質に順次移動させるステップとを含む。   The method according to the second aspect of the present invention is a biological state generation method for generating a desired state in the second biological cell material by applying a stimulus to the first biological cell material. Between the first biological cell material and the second biological cell material, a movement path of a biomolecular motor existing in the first biological cell material is formed. What signaling protein can be applied to the second biological cell material in any sequence in order to generate a desired state in the second biological cell material using the signaling network of the second biological cell material. It is assumed that it should be known in advance. According to the above-described sequence, the method specifies a sequence of a chemical substance to be provided in order to generate a signal transduction protein as a target factor in the first living cell substance, and follows the specified chemical substance sequence. A stimulus applying step for giving a chemical substance as a stimulus to the first biological cell substance, and a signal transduction network in the first biological cell substance by the sequence of the chemical substance given to the first biological cell substance in the stimulus applying step. A binding step in which a signal transduction protein that is a target factor that is sequentially generated is bound to a biomolecular motor in the first biological cell material, and a biomolecular motor that is bound in the binding step to a signal transduction protein that is a target factor in the binding step. The signal transduction protein that is the target factor via And a step of sequentially moving the second biological cellular materials.

第2の生体細胞物質に所望の状態を生成するために、第2の生体細胞物質にどのようなシグナル伝達たんぱく質をどのようなシーケンスで与えればよいかは予め知られている。そして、第1の生体細胞物質において、シグナル伝達ネットワークの標的因子としてシグナル伝達たんぱく質を生成させるためにどのような刺激を与えればよいかが分かれば、その刺激を特定のシーケンスで第1の生体細胞物質に与えることで、第1の生体細胞物質内に第2の生体細胞物質に与えるべきシグナル伝達たんぱく質を、所望の状態を生成するようなシーケンスで生成できる。それらシグナル伝達たんぱく質を生物分子モータによって順次第2の生体細胞物質内に搬送させれば、第2の生体細胞物質には、所望の状態を生成するために必要なシーケンスにしたがってシグナル伝達たんぱく質が与えられるため、第2の生体細胞物質内に、所望の状態を生成させることができる。   In order to generate a desired state in the second biological cell material, it is known in advance what signal transmission protein should be given to the second biological cell material in what sequence. Then, in the first biological cell material, if it is known what kind of stimulus should be given to generate a signal transduction protein as a target factor of the signal transduction network, the stimulus is converted into the first biological cell material in a specific sequence. By giving to, the signal transduction protein which should be given to a 2nd biological cell material in the 1st biological cell material can be produced | generated in the sequence which produces | generates a desired state. If these signaling proteins are sequentially transported into the second biological cell material by a biomolecular motor, the second biological cell material is given a signaling protein according to the sequence necessary to produce the desired state. Therefore, a desired state can be generated in the second living cell material.

例えば第2の生体細胞物質内の特定の最近等を死滅させたり、特定の物質を破壊したりするように、第2の生体細胞物質の状態を変化させることができる。   For example, the state of the second biological cell material can be changed so as to kill a specific recent item in the second biological cell material or destroy the specific material.

以下、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品又は同一種類の分子等には基本的に同じ参照番号を付してある。それらの名称、構成、及び機能も同一である。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。   Embodiments of the present invention will be described below. In the following description, the same parts or the same types of molecules are basically denoted by the same reference numerals. Their names, configurations, and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.

ナノバイオテクノロジーの発達に伴い、生物分子モータと呼ばれる、たんぱく質からなる物質が注目されている。生物分子モータは、生体内での化学物質の搬送の役割を担うたんぱく質であり、ダイニン、ミオシン、キネシン等が知られている。これら生物分子モータは、ATP(アデノシン3リン酸)等をエネルギ源として動作し、エネルギ効率が極めて高いことが知られている。   Along with the development of nanobiotechnology, a protein substance called biomolecular motor has attracted attention. A biomolecular motor is a protein that plays a role in transporting chemical substances in a living body, and dynein, myosin, kinesin, and the like are known. These biomolecular motors are known to operate with ATP (adenosine triphosphate) or the like as an energy source and have extremely high energy efficiency.

図1は、生物分子モータの一例として、ミオシン分子12の動作を説明する図である。図1を参照して、ミオシン分子12は、分子量約50万程度のたんぱく質で、微小管10に結合する頭部と、荷物分子14が結合する尾部と、頭部と尾部とをつなぐ細長い胸部とからなっており、その全長は約160nmである。ミオシン分子12はATPを加水分解する触媒でもあり、ATPの分解時のエネルギを動作エネルギ源としている。なお、ミオシン分子12だけではATPの分解速度が遅く、分解エネルギが無駄になってしまうが、アクチンと呼ばれるたんぱく質が微小管10に存在することによってATPの分解速度が非常に速くなり、ミオシン分子12が効率よくATP分解時のエネルギを利用することが可能になる。アクチンはまたミオシン分子12の移動時のレールの役目も果たす。   FIG. 1 is a diagram for explaining the operation of myosin molecule 12 as an example of a biomolecular motor. Referring to FIG. 1, myosin molecule 12 is a protein having a molecular weight of about 500,000, a head that binds to microtubule 10, a tail to which luggage molecule 14 binds, and an elongated chest that connects the head and tail. The total length is about 160 nm. The myosin molecule 12 is also a catalyst for hydrolyzing ATP, and uses energy at the time of ATP decomposition as an operating energy source. In addition, although the decomposition rate of ATP is slow only with the myosin molecule 12 and the decomposition energy is wasted, the presence of a protein called actin in the microtubule 10 makes the decomposition rate of ATP very fast, and the myosin molecule 12 However, it is possible to efficiently use energy at the time of ATP decomposition. Actin also serves as a rail during the movement of the myosin molecule 12.

本実施の形態では、このミオシン分子12による荷物分子の搬送を使用して情報を伝達するという点では特許文献1に記載の技術と共通の原理を使用するが、送信側での荷物分子14の作成及び受信側での荷物分子14の検出に、以下に説明するシグナル伝達の原理を使用する点、及び種々の荷物分子の搬送を時系列で行なうことにより、全体として一連の情報を搬送する点で特許文献1に記載の技術と異なっている。   In the present embodiment, the same principle as that of the technique described in Patent Document 1 is used in that information is transmitted using the transport of the load molecule by the myosin molecule 12, but the load molecule 14 on the transmission side is used. The principle of signal transmission described below is used for detection of the cargo molecules 14 on the creation and receiving side, and a series of information is conveyed as a whole by carrying various cargo molecules in time series. Therefore, it is different from the technique described in Patent Document 1.

本実施の形態では、情報は、情報を担うのに適した性質を持つタンパク質分子を荷物分子として使用することにより符号化される。そして、情報の送信側でこのたんぱく質分子を生成するときと、受信側でこのたんぱく質分子を検出するときとで、シグナル伝達と呼ばれる生体細胞物質内での連鎖的な反応を利用する。   In the present embodiment, information is encoded by using protein molecules having properties suitable for carrying information as luggage molecules. Then, when the protein molecule is generated on the information transmitting side and when the protein molecule is detected on the receiving side, a chain reaction in a biological cell substance called signal transmission is used.

生体細胞物質内で生ずる様々な現象は、必ず何らかの物質分子の働きをきっかけとして生ずる。例えば特定の遺伝子の発現により細胞の機能が分化したり、細胞の受容体への刺激に反応して、特定の物質が体内で産生されたりする。つまり、何らかの原因からある結果が生じる。この因果関係の間には、原因と結果とをつなぐ情報の伝達機構が存在する。生体内では、そうした情報の伝達は、化学物質によって行なわれる。生体内での化学物質によるそのような情報の伝達をシグナル伝達と呼ぶ。すなわち、シグナル伝達とは、様々な生命現象を生じさせる分子間の相互関係のネットワークシステムのことをいう。   Various phenomena that occur in biological cell materials are always triggered by the action of some substance molecules. For example, the function of a cell is differentiated by the expression of a specific gene, or a specific substance is produced in the body in response to stimulation of a cell receptor. In other words, a certain result occurs for some reason. Between this cause-and-effect relationship, there is an information transmission mechanism that connects the cause and the result. In the living body, such information is transmitted by chemical substances. Such transmission of information by a chemical substance in a living body is called signal transmission. That is, signal transduction refers to a network system of interrelationships between molecules that cause various life phenomena.

シグナル伝達に用いられる物質には様々なものがあるが、最もよく知られているものにGTP(グアノシン5‘−3リン酸)アーゼと呼ばれるたんぱく質がある。GTPアーゼには、GDP(グアノシン5’−2リン酸)と結合した不活性な状態と、GTPと結合した活性化状態とがある。GTPアーゼは、普段は不活性状態にある。特有の刺激を受けると、GTPアーゼのGDPがGTPと置換わる。するとGTPアーゼの物理的構造又は分子構造が変化する。この変化の結果、GTPアーゼの一部の位置が変化したり、一部が解離したりして他の分子(標的因子と呼ぶ。)に働きかける。   There are various substances used for signal transduction, and the most well-known one is a protein called GTP (guanosine 5'-3 phosphate) ase. The GTPase has an inactive state bound to GDP (guanosine 5'-2 phosphate) and an activated state bound to GTP. GTPases are usually inactive. Upon receiving a specific stimulus, GTPase GDP replaces GTP. This changes the physical or molecular structure of the GTPase. As a result of this change, the position of a part of the GTPase changes or part of the GTPase dissociates to act on other molecules (called target factors).

標的因子は、この働きかけに応じて同様の反応を示し、さらに後段のシグナル伝達因子に働きかける。こうしたシグナル伝達が複数段階にわたって行なわれ、その結果、最終目的の物質が活性化し、所定の機能を発現する。   The target factor shows a similar reaction in response to this action, and further acts on a subsequent signal transduction factor. Such signal transmission is performed over a plurality of stages, and as a result, the final target substance is activated and exhibits a predetermined function.

シグナル伝達には、前述したGTPアーゼが用いられるだけではなく、例えばキナーゼ、フォスファターゼ等、たんぱく質のリン酸化・脱リン酸化を制御する分子も重要である。同様に、分子の酸化・還元等も重要な役割を果たすと考えられる。シグナル伝達には、このように多様なたんぱく質を用いた様々な経路が用いられている。これらたんぱく質をシグナル伝達たんぱく質(以下「SPK」と呼ぶ。)と呼ぶ。   For signal transduction, not only the aforementioned GTPase is used, but also molecules that control phosphorylation / dephosphorylation of proteins such as kinases and phosphatases are important. Similarly, molecular oxidation / reduction is considered to play an important role. Various pathways using such various proteins are used for signal transduction. These proteins are called signaling proteins (hereinafter referred to as “SPK”).

そうした経路のうち、例えばあるGTPアーゼの結合状態の変化と、あるキナーゼ・フォスファターゼとの間に何らかの関係があることを実験で確認することはできる。その関係を定量化することも可能である。   Among such pathways, it can be confirmed experimentally that there is some relationship between, for example, a change in the binding state of a certain GTPase and a certain kinase phosphatase. It is also possible to quantify the relationship.

以上の説明から明らかなように、GTPアーゼには不活性な状態と活性状態との2つの状態がある。例えばこれらがデジタル情報の0及び1をそれぞれ表すものとすれば、1つのGTPアーゼを送信側で生成し、生物分子モータで受信側に搬送し、受信側で検出すれば、0又は1の情報を伝送することができる。GTPアーゼには複数種類が存在するので、GTPアーゼの種類を変えることにより、より多くの情報を一度の搬送で送信することができる。   As is clear from the above description, GTPase has two states, an inactive state and an active state. For example, if these represent 0 and 1 of digital information, one GTPase is generated on the transmission side, conveyed to the reception side by a biomolecular motor, and if detected on the reception side, information of 0 or 1 Can be transmitted. Since there are a plurality of types of GTPases, it is possible to transmit more information in one transport by changing the types of GTPases.

情報の送信側では、培養基内に生体細胞物質を準備し、最終的な標的因子として活性状態又は不活性状態の、特定のGTPアーゼを生成するような外的刺激を与える。その結果、シグナル伝達により培養基内のシグナル伝達ネットワークにより、標的因子のGTPアーゼが生成される。生成したGTPアーゼをミオシン分子12で受信側の生体細胞物質の培養基に搬送する。受信側でミオシン分子12からおろされたGTPアーゼが新たな刺激となり、受信側内でシグナル伝達ネットワークにより種々の反応が引起こされる。これら反応で生成される物質のうち、外部から容易に検出可能なものを検出することによって、受信側ではその物質の原因物質、すなわち送信されてきたGTPアーゼが何であるかを知ることができ、送信されてきた情報を復号することができる。これを繰返すことによって、所望ビットの情報をGTPアーゼの形で生物分子モータで送信することができる。   On the information transmission side, a biological cell material is prepared in the culture medium, and an external stimulus is generated to generate a specific GTPase in an active state or an inactive state as a final target factor. As a result, GTPase of the target factor is generated by the signal transduction network in the culture medium by signal transduction. The generated GTPase is transported by the myosin molecule 12 to the culture medium of the biological cell material on the receiving side. The GTPase taken down from the myosin molecule 12 on the receiving side becomes a new stimulus, and various reactions are caused by the signal transduction network in the receiving side. By detecting a substance that can be easily detected from the outside among the substances generated by these reactions, the receiving side can know what is the causative substance of the substance, that is, the transmitted GTPase, The transmitted information can be decoded. By repeating this, information of a desired bit can be transmitted by the biomolecular motor in the form of GTPase.

シグナル伝達は、上記したGTPアーゼの結合状態の変化をもたらす反応(この反応を以下「GTPアーゼ反応」と呼ぶ。)、SPKのリン酸化・脱リン酸化をもたらす反応(以下この反応を「SPK反応」と呼ぶ。)、及びこれらたんぱく質の酸化・還元をもたらす反応(以下この反応を「酸化・還元反応」と呼ぶ。)により実現される。   Signal transduction is a reaction that causes a change in the binding state of GTPase described above (this reaction is hereinafter referred to as “GTPase reaction”), a reaction that causes phosphorylation / dephosphorylation of SPK (hereinafter this reaction is referred to as “SPK reaction”). And a reaction that causes oxidation / reduction of these proteins (this reaction is hereinafter referred to as “oxidation / reduction reaction”).

図2に、上記したGTPアーゼ反応、SPK反応、及び酸化・還元反応の概略を図示する。図2(A)を参照して、GTPアーゼ反応20では、GTPアーゼが、GDP32と結合した不活性状態のGTPアーゼ30と、GTP42と結合した活性状態のGTPアーゼ40との間で状態を変える。不活性状態のGTPアーゼ30にGEF(グアニンヌクレオチド交換因子)36を与えることで、不活性状態のGTPアーゼ30と結合していたGDP32がGTP34と置き換わり、GTP42と結合した活性状態のGTPアーゼ40が得られる。この際、GDP38が解離する。   FIG. 2 schematically shows the GTPase reaction, SPK reaction, and oxidation / reduction reaction described above. Referring to FIG. 2A, in GTPase reaction 20, GTPase changes state between inactive GTPase 30 bound to GDP32 and active GTPase 40 bound to GTP42. . Giving GEF (guanine nucleotide exchange factor) 36 to inactive GTPase 30 replaces GDP32 that was bound to inactive GTPase 30 with GTP34, and active GTPase 40 bound to GTP42 can get. At this time, GDP 38 is dissociated.

GTPアーゼが活性化したままでは不都合なので、GTPアーゼを不活性化する反応も存在する。GTPアーゼ自体が自身を不活性化する性質を持っている。しかし、基本的には図2(A)に示すように、活性化したGTPアーゼ40にGAP(GTPアーゼ活性化たんぱく質)46を与えることにより、GTPアーゼ40と結合していたGTP42がGDP44と置換される。GTP42はGTPアーゼ40と解離してGTP48となる。   There is also a reaction that inactivates GTPase because it is inconvenient if GTPase remains activated. GTPase itself has the property of inactivating itself. However, basically, as shown in FIG. 2 (A), by giving GAP (GTPase activating protein) 46 to the activated GTPase 40, GTP42 bound to GTPase 40 is replaced with GDP44. Is done. GTP42 dissociates from GTPase 40 to become GTP48.

このようにして、外部からの刺激に対して不活性状態のGTPアーゼ30が活性化することでシグナル伝達経路の下流の標的因子を活性化し、刺激の消失に応じて活性状態のGTPアーゼ40が不活性化することで元の状態に戻る。このように、GTPアーゼに関する反応は、活性化・不活性化という一組の反応からなる。この性質は、シグナル伝達機構を実現する上で重要である。以下に述べるSPKに関する反応、たんぱく質の酸化・還元反応等、別種の反応においても、順方向と逆方向との一組の反応によりシグナル伝達の経路の一部が構成される。   In this way, the inactive GTPase 30 is activated in response to an external stimulus, thereby activating the target factor downstream of the signal transduction pathway. In response to the disappearance of the stimulus, the active GTPase 40 is activated. Return to the original state by inactivation. Thus, the reaction related to GTPase consists of a set of reactions of activation / inactivation. This property is important for realizing a signal transduction mechanism. In other types of reactions such as SPK reactions and protein oxidation / reduction reactions described below, a part of the signal transduction pathway is constituted by a set of reactions in the forward and reverse directions.

シグナル伝達を担う他の重要な要因であるSPK60に関するSPK反応22の機構を図2(B)に示す。図2(B)を参照して、SPK60は、特定のキナーゼ64の存在下でATP(アデノシン5’−3リン酸)62から供給されるリン(P)と反応し、リン原子70と結合したSPK68となる。この際、リンを供給したATP62はリンを失ってADP(アデノシン5’−2リン酸)66となる。   The mechanism of the SPK reaction 22 relating to SPK60, which is another important factor responsible for signal transduction, is shown in FIG. Referring to FIG. 2 (B), SPK60 reacted with phosphorus (P) supplied from ATP (adenosine 5′-3 phosphate) 62 in the presence of specific kinase 64 and bound to phosphorus atom 70. SPK68. At this time, ATP 62 supplied with phosphorus loses phosphorus and becomes ADP (adenosine 5'-2 phosphate) 66.

この逆の反応は以下の通りである。すなわち、リン原子70と結合したSPK68は、フォスファターゼ74及びADP72の存在下でリン原子70との結合を解き、SPK60に戻る。ADP72はSPK68から供給されるリン原子と結合し、ATP76となる。   The reverse reaction is as follows. That is, the SPK 68 bonded to the phosphorus atom 70 breaks the bond with the phosphorus atom 70 in the presence of the phosphatase 74 and the ADP 72, and returns to the SPK 60. ADP72 binds to the phosphorus atom supplied from SPK68 to become ATP76.

図2(C)に、一般的な酸化・還元反応24の機構を示す。図2(C)を参照して、たんぱく質90は、酸化作用94により、いずれかの供給元分子から得られる酸素原子92と反応し、酸素原子98と結合したたんぱく質96となる。酸素原子98と結合したたんぱく質96に対する還元作用100により、酸素原子98と結合したたんぱく質96から酸素原子102が解離し、元のたんぱく質90が得られる。   FIG. 2C shows a mechanism of a general oxidation / reduction reaction 24. Referring to FIG. 2 (C), protein 90 reacts with oxygen atom 92 obtained from any source molecule by oxidation action 94 to become protein 96 bound to oxygen atom 98. Due to the reducing action 100 on the protein 96 bonded to the oxygen atom 98, the oxygen atom 102 is dissociated from the protein 96 bonded to the oxygen atom 98, and the original protein 90 is obtained.

以上の3種類の反応は、シグナル伝達でも最も重要と思われるものである。   These three types of reactions are considered to be the most important in signal transduction.

図3は、シグナル伝達の概念を説明するための図である。図3を参照して、シグナル伝達ネットワークは、生体細胞物質に刺激110(特定の化学物質等)が与えられることにより活性化する。この刺激により、不活性だったシグナル伝達たんぱく質112が複数個活性化して活性化シグナル伝達たんぱく質114が生成する。活性化シグナル伝達たんぱく質114により、さらに複数の不活性シグナル伝達たんぱく質116が活性化し、活性化シグナル伝達たんぱく質118が生成する。同様にこの活性化シグナル伝達たんぱく質118によって不活性シグナル伝達たんぱく質120が活性化し活性化シグナル伝達たんぱく質122が生成する。以下同様に、シグナル伝達ネットワークを介して多数の反応が同時並行的に進行し、標的因子が活性化される。   FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of signal transmission. Referring to FIG. 3, the signal transduction network is activated when a stimulus 110 (a specific chemical substance or the like) is given to a biological cell substance. By this stimulation, a plurality of inactive signal transduction proteins 112 are activated to generate an activated signal transduction protein 114. The activation signaling protein 114 further activates a plurality of inactive signaling proteins 116 to generate an activation signaling protein 118. Similarly, the activation signal transduction protein 118 activates the inactive signal transduction protein 120 to produce the activation signal transduction protein 122. Similarly, a number of reactions proceed in parallel through the signaling network, and the target factor is activated.

図4に、本実施の形態に係る情報送信方法を示す。図4を参照して、予め送信側培養基140と受信側培養基142とを準備しておく。送信側培養基140と受信側培養基142とには、生体細胞物質を満たしておく。そして、両者の間にミオシン分子12の移動する経路としてアクチンと微小管とからなる経路144を形成する。経路144は、例えばガラス基板上にパターンを形成し、アクチン及び微小管を固定することで形成できる。送信側培養基140と受信側培養基142との中にはミオシン分子12が含まれている。   FIG. 4 shows an information transmission method according to the present embodiment. Referring to FIG. 4, a transmission side culture medium 140 and a reception side culture medium 142 are prepared in advance. The transmitting side culture medium 140 and the receiving side culture medium 142 are filled with a biological cell material. A path 144 composed of actin and microtubules is formed between the two as a path for the movement of the myosin molecule 12. The path 144 can be formed, for example, by forming a pattern on a glass substrate and fixing actin and microtubules. The sending culture medium 140 and the receiving culture medium 142 contain the myosin molecule 12.

シグナル伝達の結果、所望の種類の活性又は不活性荷物分子158を生成するために必要な刺激150を決定しておき、情報の送信時にこの刺激150を送信側培養基140に与える。すると、刺激150によって直接活性化されるSPK152が活性化し、その活性化により生ずるシグナルが送信側培養基140内のシグナル伝達ネットワーク154を介して伝達され、最終的に所望の荷物分子158が生成され、これがミオシン分子12の尾部に結合する。   As a result of the signal transmission, a stimulus 150 necessary to generate a desired type of active or inactive baggage molecule 158 is determined, and this stimulus 150 is given to the transmitting culture medium 140 when information is transmitted. Then, the SPK 152 that is directly activated by the stimulus 150 is activated, and a signal generated by the activation is transmitted through the signal transmission network 154 in the transmission side culture medium 140, and finally a desired luggage molecule 158 is generated, This binds to the tail of myosin molecule 12.

荷物分子158が結合したミオシン分子12は、矢印162により示されるように、経路144上を移動し、受信側培養基142に到達し、そこで、荷物分子158をおろす。受信側培養基142内では、この荷物分子158が新たな刺激となり、シグナル伝達ネットワーク180を介してこのシグナルが伝達され、最終的に検出対象のシグナル伝達たんぱく質分子182が生成する。生成するシグナル伝達たんぱく質は検出が容易なものとなっているため、これを外部検出信号184として検出することにより、送信側培養基140から刺激150に相当する信号が受信側培養基142に送信されたことが分かる。   The myosin molecule 12 to which the cargo molecule 158 is bound moves on the path 144 and reaches the receiving culture medium 142 as indicated by the arrow 162, where the cargo molecule 158 is lowered. In the receiving side culture medium 142, this luggage molecule 158 becomes a new stimulus, this signal is transmitted through the signal transmission network 180, and finally, a signal transmission protein molecule 182 to be detected is generated. Since the generated signal transduction protein is easy to detect, a signal corresponding to the stimulus 150 is transmitted from the transmission side culture medium 140 to the reception side culture medium 142 by detecting this as the external detection signal 184. I understand.

図5は、図4に示す情報伝達を繰返し行なうことにより、一連の情報が送信側培養基140から受信側培養基142に送信されることを説明するための図である。図5(A)を参照して、送信側培養基140に刺激200を与えることにより、図4に示したものと同様の伝達経路で荷物分子202が生成され、ミオシン分子12により経路144を経由して受信側培養基142に搬送される。受信側培養基142では、この荷物分子202を新たな刺激とするシグナル伝達ネットワークにより、検出対象のシグナル伝達たんぱく質が生成され、外部検出信号204として検出される。   FIG. 5 is a diagram for explaining that a series of information is transmitted from the transmission side culture medium 140 to the reception side culture medium 142 by repeatedly performing the information transmission shown in FIG. 4. Referring to FIG. 5 (A), by applying a stimulus 200 to the transmitting side culture medium 140, a load molecule 202 is generated through a transmission path similar to that shown in FIG. 4, and the myosin molecule 12 passes through the path 144. To the receiving side culture medium 142. In the reception side culture medium 142, a signal transmission protein to be detected is generated by a signal transmission network using the luggage molecule 202 as a new stimulus and detected as an external detection signal 204.

以下、図5(B)では、刺激210により生成する荷物分子212がミオシン分子12により受信側培養基142に搬送され、受信側培養基142において外部検出信号214として検出される。図5(C)では、刺激220により生成する荷物分子222がミオシン分子12により受信側培養基142に搬送され、受信側培養基142において外部検出信号224として検出される。図5(D)では、刺激230により生成する荷物分子232がミオシン分子12により受信側培養基142に搬送され、外部検出信号234として検出される。   Hereinafter, in FIG. 5B, the cargo molecule 212 generated by the stimulus 210 is transferred to the reception side culture medium 142 by the myosin molecule 12 and detected as the external detection signal 214 in the reception side culture medium 142. In FIG. 5C, the cargo molecule 222 generated by the stimulus 220 is transported to the reception side culture medium 142 by the myosin molecule 12 and detected as the external detection signal 224 in the reception side culture medium 142. In FIG. 5D, the load molecule 232 generated by the stimulus 230 is transported to the reception side culture medium 142 by the myosin molecule 12 and detected as the external detection signal 234.

今、刺激200,210,220及び230によりそれぞれ情報A1,A2,A3及びA4が表されるものとすると、送信側培養基140から受信側培養基142に送信される情報250は「A1A2A3A4」となる。一方、受信側培養基142側で検出される信号により表される情報252は「B1B2B3B4」となる。予め、送信側の刺激と受信側の検出信号との間の対応関係をコードブックとして準備しておくことにより、受信側で検出された情報「B1B2B3B4」が情報「A1A2A3A4」を表すものであることが分かる。   Assuming that the information A1, A2, A3, and A4 are represented by the stimuli 200, 210, 220, and 230, respectively, the information 250 transmitted from the transmission side culture medium 140 to the reception side culture medium 142 is “A1A2A3A4”. On the other hand, the information 252 represented by the signal detected on the receiving side culture medium 142 side is “B1B2B3B4”. The information “B1B2B3B4” detected on the reception side represents the information “A1A2A3A4” by preparing the correspondence between the stimulus on the transmission side and the detection signal on the reception side as a code book in advance. I understand.

すなわち、送信側培養基140に対し、送信しようとする情報に対応した刺激を順次与えることにより、所望の情報を受信側培養基142に送信することができる。   That is, desired information can be transmitted to the reception side culture medium 142 by sequentially giving a stimulus corresponding to the information to be transmitted to the transmission side culture medium 140.

なお、本実施の形態に係る方法によれば、単に情報を送信側培養基140から受信側培養基142に送信することができるだけではない。受信側培養基142内に生成されるのは、あくまで所望のシグナル伝達たんぱく質である。仮にこれらシグナル伝達たんぱく質を、あるシーケンスにしたがって生体細胞に与えることにより、生体細胞内を特定の状態にすることができることが判明すれば、そのシーケンスでシグナル伝達たんぱく質が受信側培養基142中に生成するようなシーケンスで送信側培養基140に刺激を与えれば、受信側培養基142中の生体細胞物質を上記した特定の状態にすることができる。すなわち、この手法により、生体内に特定の薬品を配送したときと同様の状態を生成できる可能性がある。   In addition, according to the method according to the present embodiment, it is not only possible to simply transmit information from the transmission side culture medium 140 to the reception side culture medium 142. It is only the desired signal transduction protein that is produced in the receiving side culture medium 142. If these signal transduction proteins are given to living cells according to a certain sequence, if it is found that the inside of the living cells can be brought into a specific state, the signal transducing protein is generated in the receiving culture medium 142 by the sequence. If a stimulus is given to the transmission side culture medium 140 in such a sequence, the biological cell substance in the reception side culture medium 142 can be brought into the specific state described above. That is, by this method, there is a possibility that a state similar to that when a specific medicine is delivered into a living body can be generated.

以上のように本実施の形態によれば、生体細胞物質に対し、受信側に伝送しようとする情報にしたがったシーケンスで刺激を与えることによって、送信しようとする情報が符号化され、受信側の生体細胞物質内に所望のシグナル伝達たんぱく質を生成することができる。そのシグナル伝達たんぱく質を検出することにより、送信される情報を復号することができる。   As described above, according to the present embodiment, the information to be transmitted is encoded by giving a stimulus to the living cell substance in a sequence according to the information to be transmitted to the reception side. A desired signal transduction protein can be produced in the biological cell material. By detecting the signaling protein, the transmitted information can be decoded.

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。   The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are intended. Including.

生物分子モータの一例であるミオシン分子12の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the myosin molecule | numerator 12 which is an example of a biomolecule motor. GTPアーゼ反応、SPK反応、及び酸化・還元反応の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of GTPase reaction, SPK reaction, and oxidation-reduction reaction. 図3は、シグナル伝達の概念を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of signal transmission. 本発明の一実施の形態に係る情報送信方法を示す図である。It is a figure which shows the information transmission method which concerns on one embodiment of this invention. 図4に示す情報伝達を繰返し行なうことにより、一連の情報が送信側培養基140から受信側培養基142に送信されることを説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining that a series of information is transmitted from the transmission side culture medium 140 to the reception side culture medium 142 by repeatedly performing the information transmission shown in FIG. 4.

符号の説明Explanation of symbols

10 微小管
12 ミオシン分子
14 荷物分子
110 刺激
112,114,116,118,120,122,152,158,182 シグナル伝達たんぱく質
140 送信側培養基
142 受信側培養基
150,200,210,220,230 刺激
154,180 シグナル伝達ネットワーク
204,214,224,234 外部検出信号
10 Microtubule 12 Myosin molecule 14 Luggage molecule 110 Stimulus 112, 114, 116, 118, 120, 122, 152, 158, 182 Signaling protein 140 Transmitter culture medium 142 Receiver culture medium 150, 200, 210, 220, 230 Stimulus 154 , 180 Signal transmission network 204, 214, 224, 234 External detection signal

Claims (3)

第1の生体細胞物質から第2の生体細胞物質に情報を伝達する生体物質通信方法であって、
前記第1の生体細胞物質と前記第2の生体細胞物質の間には、前記第1の生体細胞物質内に存在する生物分子モータの移動経路が形成されており、
前記第1の生体細胞物質に、予め定められた一群の化学物質のうちの任意のものを与える刺激付与ステップと、
前記刺激付与ステップにおいて前記第1の生体細胞物質に与えられた化学物質に起因して前記第1の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークにより生成する標的因子である第1のシグナル伝達たんぱく質を、前記第1の生体細胞物質内の生物分子モータと結合させる結合ステップと、
前記結合ステップにおいて前記第1のシグナル伝達たんぱく質と結合した前記生物分子モータが前記移動経路を移動して前記第2の生体細胞物質に到達することにより、前記第1のシグナル伝達たんぱく質に起因して前記第2の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークによって生成する第2のシグナル伝達たんぱく質を検出する検出ステップと、
検出するステップにおいて検出された第2のシグナル伝達たんぱく質に基づき、予め準備したコードブックによって前記第1の生体細胞物質に与えられた前記刺激を復号する復号ステップとを含む、生体物質を用いる通信方法。
A biological material communication method for transmitting information from a first biological cell material to a second biological cell material,
Between the first biological cell material and the second biological cell material, a movement path of a biomolecular motor existing in the first biological cell material is formed,
Applying a stimulus to the first biological cell material to give any one of a predetermined group of chemical substances;
A first signal transduction protein that is a target factor generated by a signal transduction network in the first living cell material due to a chemical substance given to the first living cell material in the stimulus applying step; A binding step for binding to a biomolecular motor in the first biological cell material;
Due to the first signal transduction protein, the biomolecular motor coupled with the first signal transduction protein in the binding step moves through the movement path and reaches the second biological cell substance. Detecting a second signaling protein produced by a signaling network in the second biological cell material;
A communication method using a biological material, comprising: a decoding step of decoding the stimulus given to the first biological cell material by a codebook prepared in advance based on the second signal transduction protein detected in the detecting step .
送信対象の情報列にしたがい、前記刺激付与ステップで前記第1の生体細胞物質に与える刺激を変化させながら、前記刺激付与ステップ、前記結合ステップ、前記検出ステップ、及び前記復号ステップを繰返し行なうことにより、前記送信対象の情報列を前記第2の生体細胞物質に送信するステップをさらに含む、請求項1に記載の生体物質を用いる通信方法。 By repeating the stimulus applying step, the combining step, the detecting step, and the decoding step while changing the stimulus given to the first biological cell material in the stimulus applying step according to the information sequence to be transmitted. The communication method using a biological material according to claim 1, further comprising a step of transmitting the information string to be transmitted to the second biological cell material. 第1の生体細胞物質に刺激を与えることにより、第2の生体細胞物質内に所望の状態を生成するための生体状態生成方法であって、
前記第1の生体細胞物質と前記第2の生体細胞物質の間には、前記第1の生体細胞物質内に存在する生物分子モータの移動経路が形成されており、
前記第2の生体細胞物質のシグナル伝達ネットワークを使用して前記第2の生体細胞物質に前記所望の状態を生成するために、前記第2の生体細胞物質にどのようなシグナル伝達たんぱく質をどのようなシーケンスで与えればよいかが予め知られており、
前記方法は、
前記シーケンスに応じ、前記第1の生体細胞物質内に前記シグナル伝達たんぱく質を標的因子として生成させるために与えるべき化学物質のシーケンスを特定するステップと、
前記特定された化学物質のシーケンスにしたがい、前記第1の生体細胞物質に化学物質を刺激として与える刺激付与ステップと、
前記刺激付与ステップにおいて前記第1の生体細胞物質に与えられた化学物質のシーケンスにより前記第1の生体細胞物質内のシグナル伝達ネットワークにより順次生成する標的因子であるシグナル伝達たんぱく質を、前記第1の生体細胞物質内の生物分子モータと結合させる結合ステップと、
前記結合ステップにおいて前記標的因子であるシグナル伝達たんぱく質と結合した前記生物分子モータにより、前記移動経路を経由して前記標的因子であるシグナル伝達たんぱく質を第2の生体細胞物質に順次移動させるステップとを含む、生体状態生成方法。
A biological state generation method for generating a desired state in a second biological cell material by applying a stimulus to the first biological cell material,
Between the first biological cell material and the second biological cell material, a movement path of a biomolecular motor existing in the first biological cell material is formed,
What signal transduction protein is used in the second biological cell material in order to generate the desired state in the second biological cell material using the signaling network of the second biological cell material. It is known in advance whether it should be given in a simple sequence,
The method
In response to the sequence, identifying a sequence of chemicals to be provided in order to generate the signaling protein as a target factor in the first biological cell material;
Applying a stimulus to the first biological cell substance as a stimulus in accordance with the identified sequence of chemical substance;
A signaling protein that is a target factor that is sequentially generated by a signaling network in the first biological cell material according to the sequence of the chemical substance applied to the first biological cell material in the stimulus applying step, A binding step for binding to a biomolecular motor in biological cell material;
Sequentially transferring the signal transduction protein as the target factor to a second biological cell substance via the migration path by the biomolecular motor coupled with the signal transduction protein as the target factor in the binding step. A biological state generation method.
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