In an environment governed by thermal fluctuations, it seems difficult for a protein to move unidirectionally. In addition to analyzing existing biomolecular motors, we are trying to establish a constructive approach by combining simple domains into a new biomolecular motor prototype and by observing how it behaves (Fig. 1).

生物分子モーターが働いている熱揺らぎが支配する環境で、アミノ酸がつながったヒモが折りたたまれただけのタンパク質が、確実に一方向に進むことは一見難しそうに思えます。これを理解するために、私たちは既存の生物分子モーターの分析に加え、いくつかの単純な要素を組み合わせて新しい生物分子モーターを試作し、それがどう振る舞うかを観察することによって「創って理解する」という構成的な研究手法を確立しようとしています（図１）。

Individual molecular motors cannot explain many biological phenomena. It is known that there is a complex chain of events that occurs between the layers, for example, molecules, teams of molecules, organelles, cells, and individuals. This chain organizes the disparate movements into orchestrated ones which are then fed back to each layer of the hierarchy. However, the question of how these layers are linked remains unclear. We believe this is the key to understanding how organisms are designed. We are creating experimentally accessible model systems using DNA nanostructures and other biological materials to explore such collective dynamics (Fig. 2).

個々の分子モーターはそれぞれがバラバラに機能していては生命現象を起こすことができません。分子、小器官、細胞、個体と階層を上がるに従い、バラバラだった動きが統制の取れたものになり、それがまた各階層にフィードバックされて影響を及ぼすという複雑な連環があることが分かっています。しかし、この部分と全体がどのように連環しているのか、という問題は未解明であり、この点は生物がどのようにデザインされているかを知るための鍵だと考えます。この問題に対して実験的にアクセス可能なモデル系を作り、集団特性・制御方法を模索しています（図２）。

The three key elements of a robot are sensors, processors, and actuators. Cells are equipped with these elements and can be viewed as micro-robots that move autonomously. We would like to understand the mechanisms by which cells remember information, make decisions based on the information, through a synthetic biology approach―the creation of such micro-robots by assembling structures using biological materials and self-assembling techniques (Figure 3). To accomplish this, we use DNA nanostructures with excellent controllability. We have also built our own instruments such as microscopes and optical tweezers, control and analysis software, and basic experimental apparatuses, using machine tools and 3D printers. We also built a high-throughput research environment with the aid of pipetting robots and automated microscopes.

ロボットの重要な三要素は、センサー、プロセッサー、アクチュエーターです。細胞はこれらの要素を備えており、自律的に動く微小ロボットと捉えることもできます。私たちは、生物材料を使って自己組織化の手法で構造体を組み上げ、このような微小ロボットを創ることを通じて、細胞が何かを記憶したり、それをもとに意思決定したり、といった生物らしい行動を起こす仕組みを理解したいと考えています（図３）。このような研究を実現するために、私たちは、制御性の良いDNAナノ構造体を基本構造として用いています。また、顕微鏡・光ピンセットなどの装置，制御・解析ソフトウエア、実験器具などを3Dプリンタなども活用しながら自分たちで作り、市販の分注ロボットなども援用してハイスループットで機動力の高い研究環境を構築しています。