Research
科学技術の進歩により、人類のモノづくり技術はナノメートルという分子サイズのスケールにまで到達しています。モノづくりには大きく分けて、元となる材料を望みのモノへと加工してく「トップダウン」のアプローチと、小さな材料自身が望みのモノに組み上がる「ボトムアップ」という二つのアプローチがあります。例えば、私たちの体を構成する細胞は、誰かが材料を加工して組み立ててくれたのでしょうか？もちろんそうではなく、細胞を作る生体分子の一つひとつがボトムアップ的に組み上がり、生き物が持つすばらしい機能を実現しています。つまり、ボトムアップでモノを作っていくことは、分子のサイズスケールで機能的な人工物を構築する上で有効な方法だと考えられます。
私達は、生体分子を材料としてボトムアップのアプローチで分子サイズのデバイスや複数のデバイスで構成された「システム」を創ること、そのための方法論を確立することを目指しています。DNAナノテクノロジー、DNAの化学修飾、脂質二分子膜小胞（リポソーム）作製技術、相分離現象など、さまざまな技術や知見を駆使しています。分子サイズの機能デバイスを作ることや、それらを組み合わせ生き物のような優れた分子のシステムを作ることは、新たな技術の創出につながることはもちろん、生命システムの理解といった基礎科学的な側面にも貢献できると考えています．
DNA nanotechnology
DNAは生命の遺伝情報を担う物質として認識されていますが，ナノスケールの分子材料として使うこともできます．DNAの4種類の塩基（アデニン: A，グアニン: G，チミン: T，シトシン: C）が選択的に結合（A-T，G-Cが結合）するという性質により，分子どうしの結合関係，分子のどことどこが結合するか，といったことを分子レベルで設計することができます．これにより，様々なナノ・マイクロ構造や分子回路を構築することができます．DNAナノテクノロジーを用いることで，分子レベルの生物物理学的現象を明らかにしたり，機能的な分子デバイスを作ることに取り組んでいます．
代表的な成果
DNAナノ構造の液液相分離：Yusuke Sato Tetsuro Sakamoto, Masahiro Takinoue*, “Sequence-based engineering of dynamic functions of micrometer-sized DNA droplets”, Science Advances 6, eaba3471 (2020)
DNAゲルパターン：Yu Kasahara#, Yusuke Sato#, Marcos Masukawa, Yukiko Okuda, Masahiro Takinoue*, “Photolithographic shape control of DNA hydrogels by photo-activated self-assembly of DNA nanostructures”, APL Bioengineering, 4, 016109 (2020) (#equal contribution)
相分離DNAゲルカプセル：Yusuke Sato*, Masahiro Takinoue*, “Capsule-like DNA Hydrogels with Patterns Formed by Lateral Phase Separation of DNA Nanostructures”, JACS Au 2, 159–168 (2022).
疎水的分子デバイスの精製方法：Shoji Iwabuchi, Shin-ichiro M. Nomura*, Yusuke Sato*, “Surfactant-Assisted Purification of Hydrophobic DNA Nanostructures”, ChemBioChem 24, e202200568 (2023)
Molecular Robotics
材料が機能を発揮できるように組み立てると「デバイス」が出来上がります．デバイスを組み合わせると「システム」を作ることができます．人工的に作った分子のシステム，すなわち「分子ロボット」を作るための研究をしています．複数の分子デバイスをどのように統合すれば良いのか，分子ロボットの性能を上げるための分子デバイスを作れないか，そのような着想を軸に研究を進めています．
代表的な成果
アメーバ型分子ロボット：Yusuke Sato, Yuichi Hiratsuka, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura*, “Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules”, Science Robotics 2, eaal3735 (2017)
分子ロボットの信号増幅機構：Yusuke Sato*, Ken Komiya, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura*, "Isothermal amplification of specific DNA molecules inside giant unilamellar vesicles", Chemical Communications, 55, 9084-9087 (2019)
分子ロボットのための分子デバイス集積基礎技術：Yusuke Sato, Masayuki Endo, Masamune Morita, Masahiro Takinoue, Hiroshi Sugiyama, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura, Yuki Suzuki*, “Environment-dependent self-assembly of DNA origami lattices on phase-separated lipid membranes”, Advanced Materials Interfaces 5, 1800437 (2018)