JP2016014074A - プログラム可能なナノロボットに添付されたセンサ、分子機械及びコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】３つの機能部分を有する実用的な分子ロボットを合成し、設計することであり、第１に、環境を感知し、第２に、信号を処理して論理的な決定を導出し、最後にジョブを実行するために取り付けられた分子機械に指示する実用的分子ロボットの提供。
【解決手段】複数の機能拡張部を有する分子構造であって、分子センサ１０３、１０４、１０５と分子機械１０６、１０７は、前記複数の機能拡張部に取り付けられており、制御分子１０１は前記分子構造のキャビティ１０２の内側にドープされ、すべての接続されている制御分子１０１、分子センサ１０３，１０４，１０５および分子機械１０６，１０７は、相互支援の態様で性能を制御するように、共同して働く実用的分子ロボット。
【選択図】図１

Description

本発明は、分子構造に関し、特にセンサが環境を感知するように取り付けられており、分子ロータが運動のために取り付けられており、コントローラが運動についての決定を行うために取り付けられており、全体で機械システムが、医療治療における潜在的な用途を有する周期的ポテンシャルを生成するように動作するものに関する。

「ナノ機械の時代」のキャンペーンでは、ナノスケールでの意思決定を必要とする［非特許文献１、特許文献１］。でも筋金入りの科学文献でさえ、複雑な人間の介入なしに状況を分析し、決定をなし、タスクを実行するためのナノスケールで脳を論じることはない。我々はナノ工場を必要とする［非特許文献２］。ナノスケールの意思決定では、生命体のような非常に基礎的なものを必要とする。これは初めて、完全な有機合成によって作られた単一のナノロボット中に感知、意思決定、および実行を融合したものである。従来の巨大ロボットは、その頭から出てくる数百万本のケーブルを有しており、科学者はカメラからそれを隠そうとするが、これらのロボットは適切に歩くこともできない［非特許文献３］。ここで、我々のナノロボットは、まさに外部からの一個のトリガに応じて、プログラムされたように作業を開始して、環境に応じて、実際の目標を選択し、目的地まで泳ぐ。それは、先人よりもはるかに先進的なスタンドアロン工場である撃ち放し(fire and forget)型ロボットである［非特許文献４］。

初めて、私たちは近未来的な「ナノロボット」の運用言語とコミュニケーションの骨組みを作った。どのように幾つかの機能コンポーネントが、協調的な様式でお互いに話をし、複雑なタスクを提供するかは最も重要な問題となっている。常時、光、磁界または単純な直接エネルギー源が、分子構造内の特定のダイナミクスを活性化するために使用されたが、真理値表を用いて、多数の決定を制御したり、生成したりする試行は行われなかった。私たちは広範囲の可能な言語を概説するだけでなく、この「会話」を使用して、２つのアプリケーションを実証した。一つは、癌細胞の突然変異したＤＮＡを破壊することであり、もう一つは、アルツハイマー患者から採取したベータプラークを破壊することである。生体模倣(bio-mimetics)は、技術の進歩の鍵と考えられる［非特許文献５］。我々のナノロボットは、どんな化学物質も使用せず、音、光と音のような単純な物理的相互作用がそれに供給されるもので、これは、非侵襲的な薬物のように動作する［特許文献２］。
真理値表を使用して、３２万通りの仕事について、私達のナノロボットを操作できるが、ここに示されているのは２つだけの仕事なので、アナログナノロボットと呼ばれる。ナノスケールのダイナミクスの利点は、以前に調査していなかった。ナノロボットの２つの顕著な特性は、以下に記載されている。我々のナノロボットはノイズを処理でき、我々が意図的にその実行を停止した場合、それは自動的に再び作業を開始する。人工ロボットエンジニアの誰もが、この能力を実用的なシナリオが与えられた自分のロボットに組み込むことを、想像することさえできない。一旦活性化されると、それは１８時間ノンストップで働く。

ナノロボットの一つの重要な特性は、ナノ潜水艦のように水中を泳ぐことである。これはワイヤレスの行動であり、敵のターゲット（例えばナノ粒子）を原子スケールで正確に吹き飛ばしたり、または破壊することなく敵対的な活動を操る。ターゲットの検出は、材料の自然な特性である、共鳴に基づいているので、間違ったターゲットを選択する可能性はゼロである。その上、実行モードはワイヤレスであるので、副作用はゼロである。医療の新たな種類は別として、宇宙空間内のどんな過酷な環境のタスクや、環境清掃のためにそれを使用できる。作業の種類に応じて、このナノロボットに取り付けられる機械を変更でき、環境に応じて、そのセンサを変更する。それはマルチタスクのための一般的なナノツールである［特許文献３］。このような機械はエリック・ドレクサ(Erik Drexlar)によって夢見られたが、しかし、従前には実現しなかった。

ナノロボットは群れとして使用できる。群れのロボットは研究の非常に重要な分野である。自然界では、群れは生命を有しており、それは環境を感知し、決定し、その後の動きを実行できる。人工ロボットの群れは、これらの３つの生命類似の機能を含んでいる。ロボット群れの分子アナログでは、単一操作構造体のコンポーネントとして協同作業するために、プラットフォームに取り付けられたセンサ部、ドープされた意思決定の分子及び分子機械を有する必要がある。分子チップでの多様な生命のような機能の統合は未知であり、私たちの分子群れが今までに作られた最小のロボットである。分子群れの実用化における課題は次の３個のタイプ（ｆｏｌｄ）である：
（i）様々なコンポーネントの機能が統合後存続する必要があること、
（ii）機能の部分を設計どおりに合成すること、
（iii）機能の部分が、ステップバイステップの樹枝状プラットフォームへの統合を妨げる場合は、最初の２つの手順をやり直すこと。
このように、我々は並列に２個の巡回最適化に従う必要があった。まず、統合後に生体類似の機能を存続すること。第二に、単一の交差反応を回避して、組み合わせアーキテクチャを合成すること。

米国特許第7687146号公報 米国特許公開第2005-0136453号A1公報 米国特許第5372930号 B1公報

Alexander Huw Arnall; "Future Technologies, Today's ChoicesNanotechnology, Artificial Intelligence and Robotics; A technical, political and institutional map of emerging technologies." Greenpeace Environmental Trust, (2003) from http://www.greenpeace.org.uk/MultimediaFiles/Live/FullReport/5886.pdf Robert A. Freitas Jr. and Ralph C. Merkle; "Technical challenges of a nanofactory" (2006) from http://www.molecularassembler.com/Nanofactory/Challenges.htm John Gall; "Systemantics: How Systems Really Work and How They Fail", 2nd ed.: The General Systemantics Press (1986) Chris Phoenix; "Design of a Primitive Nanofactory", Journal of Evolution and Technology - Vol. 13 - October 2003 from http://www.jetpress.org/ volume13/Nanofactory.pdf Tony Huang and Bala Juluri; "Biological and Biomimetic Molecular Machines," Nanomedicine, 3, pp. 107-124 (2008)

本発明の目的は、３つの機能部分を有する実用的な分子ロボットを合成し、設計することであり、第１に、環境を感知し、第２に、信号を処理して論理的な決定を導出し、最後にジョブを実行するために取り付けられた分子機械に指示する。

本発明の発明者は、実用的なナノロボットを着想した。第１に、それは構造内部の分子振動を使用して、分子機械用の真理値表を生成する。第２に、それは論理的な意思決定を実行するために、その構造の内部のエネルギー伝達経路を厳密にたどる。第３に、それは共鳴的及び／又は化学的に外部機関と通信できる。第４に、センサや分子機械などの添付された機能性分子を操作できるように維持して、騒音下で生き残る。

本発明の第１の態様は、複数の機能拡張部を有する分子構造を提供するもので、分子センサおよび分子機械は、複数の機能拡張部に取り付けられており、制御分子は前記分子構造のキャビティ内にドープされ、すべての接続されている制御分子、分子センサおよび分子機械は、相互に支える態様で性能を制御するように、共同して働くことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、分子構造は、分子構造のシステムの分子センサ、分子機械及び制御分子のような機能性分子のコンポーネントより大きい分子であるマトリックス部を有し、前記マトリックス部は、ニューラルネットワークやフラクタルに類似の構造を含むもので、例えば、複数の分岐末端を有する樹枝状構造、線形または複数の官能化末端を有する分枝状ポリマー又はコポリマー、多官能性のバッキーボール（フラーレン）、配線のようなフラクタルを有する複合ナノ材料であることを特徴とする。

本発明による第３の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、
前記マトリックス部の分子は球状、立方体、多面体、円形、多角形、フラクタル分岐のような異なる形状を有することを特徴とする。
第３の態様に従った他の態様は、第３の態様に係る分子構造を提供するもので、
前記マトリックスの表面上に突出する末端基が異なる機能群を結合してあることを特徴とする。

本発明による第４の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、キャビティは、前記マトリックス部の内側の空隙であり、キャビティは親水性、疎水性、または両親媒性の性質の少なくとも一つを有し、選択的にゲスト制御分子を取り込むことを特徴とする。
第４の態様による他の態様は、第４の態様に係る分子構造を提供するもので、カプセル化された前記ゲスト制御分子は、コントローラユニットであって、多値酸化還元分子、色素分子、タンパク質、ポリマー、コポリマー、生体分子、ミセル、ナノ粒子、量子ドット、或いは、前記マトリックス部及びそのコンポーネントからエネルギーを受け入れ、一定の論理ルールに従って前記マトリックス部を介して前記コンポーネントに別の信号を送り返すような任意の材料の少なくとも一つであることを特徴とする。
第４の態様による他の態様は、第４態様（ＩＩ）に係る分子構造を提供するもので、ゲスト制御分子のカプセル化後の環境は、前記ゲスト制御分子がゲスト制御分子からホストコンポーネントへのエネルギーの伝達のやり方を制御することを特徴とする。
第４の態様による他の態様は、第４態様（ＩＩＩ）に係る分子構造を提供するもので、コントローラ部の変化は形状ポテンシャル、電位ポテンシャル、磁気ポテンシャル、動的な振動ポテンシャル、熱ポテンシャルの少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明による第５の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、キャビティは、キレート、非キレート化、水素結合の形成をトリガする原子、静電イオンを含むことを特徴とする。
本発明による他の態様は、第５の態様に係る分子構造を提供するもので、キャビティの大きさは、原子の数、キャビティを取り囲む原子の大きさ、原子間の結合距離、請求項２のマトリックス部の分子における動態の変化、個体群密度、ｐＨ係数、媒体の粘度、媒体の双極子モーメント、温度、圧力、分子の周囲の２Ｄ及び３Ｄ環境によって決定されることを特徴とする。

本発明による第６の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、取り付けられたセンサ分子は、いずれかの種類の外部刺激を検出する能力を有することを特徴とする。
本発明による第６の態様による他の態様は、第６の態様に係る分子構造を提供するもので、前記外部刺激は、熱、光、色 (chrome)、密度、ｐＨ値、イオン圧力、電気バイアス、特定の金属および非金属のイオンまたは原子、前記センサと前記マトリクス部及び／又は前記マトリックス部に結合した他のコンポーネントとの間のエネルギー移動を規制する内部イオン移動の少なくとも一つである。

本発明による第７の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、センサはその感度を維持するために、外部刺激に応答して、一時的または恒久的にその状態を変更し、前記状態の変化は、酸化還元状態、コンホメーション状態、分子内のイオン化、または前記マトリックス部及び／又はカプセル化されたゲスト分子、添付された分子機械などのような関連コンポーネントへの波及効果を送るような、電子的または光学的特性の変化の少なくとも一つであることを特徴とする。
本発明による第７の態様による他の態様は、第７の態様に係る分子構造を提供するもので、周期的及び／又はアナログの複雑な波形を生成するように、センサ分子の緩和動力学を制御することを特徴とする。

本発明による第８の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、前記センサは、前記マトリックス部の分子の末端と、共有結合、配位結合、または静電結合、及び／又は弱い相互作用力を介して結合されることを特徴とする。
本発明による第８の態様の他の態様は、第８の態様に係る分子構造を提供するもので、前記結合は、レセプタで受信された情報が、前記カプセル化されたゲスト分子及び／又は前記マトリックス部の他のコンポーネントに向かって伝播し、信号特性を損なうことなく、それらの状態を変更できるように配置されていることを特徴とする。

本発明による第９の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、前記分子機械は、化学的及び／又は物理的に結合されていると共に、回転ダイナミクス、並進ダイナミクス、振動ダイナミクス、スポンジのような作用の少なくとも一つを保有する動的分子であることを特徴とする。
本発明による第９の態様による他の態様は、第９の態様に係る分子構造を提供するもので、前記分子機械は、ｋＴからのエネルギー及び／又は化学的／物理的なエネルギーを取得し、前記ダイナミクスを生成することを特徴とする。

本発明による第１０の態様は、第１の態様に係る分子構造を提供するもので、
分子機械のダイナミクスは、第４の態様のコントローラユニットにより制御されることを特徴とする。
本発明による第１０の態様による他の態様は、第１０の態様に係る分子構造を提供するもので、前記コントローラユニットは、分子機械の任意の特定ダイナミクスのオン／オフを切り替えることができ、これにより、センサ分子、分子機械、コントローラユニットおよびその他のコンポーネントは、それらの間のエネルギー輸送の論理規則に従うことを特徴とする。

以下に、本発明の全ての有利な変更を要約して示す。
本発明による態様のそれぞれは、有利な変化の少なくとも一つを有する。
（１）第１の有利な変化は、環境を感知し、決定をなし、作業を実行できる世界初の生体類似のナノロボットを実質的に実現する点にある。これは、完全なスタンドアロンのシステムである。
（２）第２の点は、既存の分子機械がナノスケールで仕事をするための汎用的な意思決定プラットフォームとしてナノロボットを使用することを可能にすることである。原始的ではあるけれども、それはナノマシンを制御するための基本的な設備を提供する。

（３）第３の点は、医療用途の広い範囲に使用されることである。外部デバイスと共鳴して通信することで、侵入した分子集合体を破壊することが可能である。この共鳴通信は副作用なしに治療するためのツールとして使用できる。
（４）第４の点は、ナノシステム間の新規の通信言語に関する。複数のナノ物体との間のエネルギーの同時転送プロトコルは、次世代で開発される機械が従う方法論において、有意な変換を生成できる技術である。

（５）第５の点は、ナノプラットフォームの基本的なプロトコルとして働くことができるデバイスであることである。このデバイスは、他のナノデバイスを保持し、独立した機能デバイスとして動作させる。
（６）第６の点は、宇宙や危機的な環境領域のような、任意の過酷な環境で使用できるデバイスである点である。機能は、単にそれに取り付けられた分子機械または分子センサを変えることで変えられる。

図１は、ナノロボットに係るモデル構造の概略図である。 図２は、分子カプセル化のためのキャビティの様々な性質と異なる可能なマトリクス構造を示す概略図である。 図３は、反応媒体のｐＨ対制御分子カプセル化の数の曲線を示す概略図である。 図４は、情報がコントローラユニットから全分岐に向けて広がることの概略図を示している。 図５は、完全なナノロボット合成の全合成スキームを示す概略図である。 図６は、分子の運動がエネルギーの伝送経路の性質とこれに関連したエネルギー量によって制御されることを示す概略図である。 図７は、センサが外部刺激剤を受け取り、その状態を変更する模式図である。 図８は、センサ分子が前記マトリックス部の分子の表面に付着されていることを示す概略図である。 図９は、別の分子機械は異なる動作の動きを有することを示している。 図１０は、ナノロボットの単一の分岐１００１を示す概略図で、エネルギー伝達の三角形状の経路１００２が指定されている。 図１１は、共鳴一致（二つの物体からの２つのＡＣ信号の総和）と強度増大（上）を示している。 図１２は、２つの電極Ｅ１、Ｅ２の間で測定されるナノロボット（ＰＣＭＳ）の電位変動を示している。 図１３は、ナノロボット操作のための真理値表を示すもので、４つの列を図示しており、動作モード、ドメイン、超分子系および論理出力である。 図１４（ａ）は癌細胞がＰＣＭＳとともに培養されることを示すもので、ＤＡＰＩで４時間観察した。図１４（ｂ）は、ＰＣＭＳを添加した直後とその後３時間間隔での単一の癌細胞の画像を示している。図１４（ｃ）は、ＰＣＭＳの毒性試験を示すもので、経過時間を差し込み図に示している。図１４（ｄ）は、どのように細胞が核酸に分解するかを示す統計情報が表示され（左）、ＰＣＭＳの存在下で、どのように癌細胞は、成長し、元の成長プロファイルを取り戻すかを示している。図１４（ｅ）は、半古典的な分子動力学によって算出されたＰＣＭＳの定期的な電位変動を示している。Ｙ軸の電位は、その固有振動時の電位の変化を示している。 図１５は、（左上に）純粋なベータプラークのＣＥＥＳ分光データを示す。ＰＣＭＳ溶液がベータプラーク溶液に対して三つの異なる密度１ｍｇ／ｍｌ、２ｍｇ／ｍｌ、３ｍｇ／ｍｌで各々加えられている。右の列はＣＥＥＳデータに対応するＳＥＭ画像を示す。 図１６は、特定の溶液が使用される場合、微小管の動的不安定性が継続することを示している。ＵＶ領域に変化はない。ＣＥＥＳデータに示されるように、特定のＡＣ周波数のみで、ＩＲ領域でのわずかな相互作用の変化を見いだせるので、ＰＣＭＳナノロボットと微小管との間の熱的相互作用がある。

本明細書では、この超分子構造を「ナノロボット」または単に「調和機械アセンブリ」と呼ぶ。というのは、生命体の３つの基本的な特性である、環境を感知すること、意思決定能力、および作業を実行することが、ここに単一構造で埋め込まれているからである。

本発明を図面を参照して説明する。
図１は、ナノロボットに係るモデル構造の概略図である。コントローラユニット１０１は、マトリックスのキャビティ１０２内にドープされる。マトリックスは複数の外側への分岐を有しており、センサや分子機械のような他の機能ユニットを取り付けるために利用可能な十分なスペースがある。センサと分子機械は、マトリックスの表面上に並べて接続されている。複数の刺激物質を受け取れるようにするために、異なる活性を有する複数のセンサ１０３、１０４、１０５が同じマトリックスで使用され、単一または複数の様々な分子機械１０６、１０７が、使用目的に応じて、同じナノロボットで組み立てられる。これらのセンサや分子機械は、機能性分子のコンポーネントとして作用する。これら複数のセンサは、熱センサ１０３、対象センサ１０４およびｐＨセンサ１０５である。これらの分子機械は、分子ロータ１０６と化学クリッパー１０７である。コントローラユニット１０１、これらのセンサや分子機械は、機能性分子コンポーネントと呼ばれている。

［マトリックス］
マトリックスは、ナノロボットシステムの機能性分子コンポーネントよりも大きい分子である。この大きな分子の部分は、多方向エネルギー伝送チャネルを含んでおり、この部分がバックボーンとして機能し、化学的、物理的または両方の種類の結合を介して、いくつかの機能性分子コンポーネントを保持するマトリックスであると考えられている。この特定のマトリックスを横切るエネルギー伝送時には、機能性分子コンポーネント間のエネルギー輸送の特定のバランスを維持する必要がある。したがって、マトリックス構造は、機能性の部分などと同様に重要である。
マトリックスは、例えば、複数の分岐末端を有する樹枝状構造のようなニューラルネットワークやフラクタル、複数の官能化末端を有する線状または分枝状ポリマー又はコポリマー、多官能バッキーボール、または配線などのフラクタルを有する複合ナノ材料を含む。分岐が完全に共役化されている場合ならば、エネルギー輸送は明らかであるが、構造は剛性である。他方で、それが非共役である場合ならば、輸送中のノイズは明らかである。マトリックス中で共役領域と非共役領域の混合物が最も適切な選択である。機能性分子コンポーネントの選択に応じて、マトリックスの幾何学的形状を選択する必要がある。

［キャビティ］
マトリックスは、ナノロボット内部の空隙であるキャビティ１０２を有している。キャビティ１０２は、本質的に親水性、疎水性、または両親媒性であってもよく、ゲスト制御分子を選択的に組み込む。キャビティの電子的性質とサイズは、ゲストの選択を決定する。ゲストのカプセル化後の環境もまた、ゲスト分子がどのようにゲストからホストコン
ポーネントへのエネルギーの伝達を制御する方法を制御する。
カプセル化されたゲストは、コントローラユニット１０１である。これは、マルチレベルの酸化還元分子、色素分子、タンパク質、ポリマー、コポリマー、生体分子、ミセル、ナノ粒子、量子ドットであってもよく、またマトリックスとそのコンポーネントからエネルギーを受け入れると共に、ある論理規則に従ってマトリックスを介してコンポーネントに別の信号を送り返す任意の材料でもよい。
コントローラユニット１０１のポテンシャルの変化は、形状ポテンシャル、電位、磁気ポテンシャル、動的な振動ポテンシャル、熱ポテンシャル等であってもよい。コントローラユニット１０１の主な機能は、センサ１０３、１０４、１０５からの指示を受信し、特定のタスクを実行するための分子機械１０６、１０７への指示に基づいて、命令の性質を分析することである。従って、同時に二段の論理演算に従事するマルチレベル論理スイッチであり、一つの段階では、それがセンサのみを伴う１から多数のルートを含み、別の段階では、分子機械を伴う１から多数のルートを含む。

［キャビティサイズ］
キャビティ１０２は、キレート、非キレート化、水素結合の形成をトリガする原子、静電イオンを含む。キャビティサイズは原子の数、キャビティを取り囲む原子の大きさ、原子間の結合距離、マトリックス分子のダイナミクスの変更、個体群密度、ｐＨ調整係数、媒体の粘度、双極子モーメントの媒質、温度、圧力、周囲の分子の２Ｄおよび３Ｄ環境によって決定される。キャビティの大きさを制御することは、いくつかの理由で重要である。まず、複数の選択肢がある場合、どの分子がそのキャビティの内部の入ることになるかは、制御パラメータによって決定される。第二に、カプセル化した後、「制御分子」付近の電子的性質によって、エネルギー伝送が大幅に決定される。その理由は、ほとんどの場合、カプセル化された分子は、化学的結合プロセスを受けない点にある。従って、これらの分子は環境のポテンシャルの変化に対して非常に敏感である。

［センサ分子］
センサの分子１０３、１０４、１０５は、分子構造に取り付けるもので、任意の種類の外部刺激を感知するための能力を有する。刺激には、熱、光、色（chrome）、密度、ｐＨ値、イオン圧力、電気バイアス、センサとマトリックスの間、及び／またはマトリックスに付着された他のコンポーネントとの間、のエネルギー移動を規制するような特定の金属および非金属のイオンまたは原子、内部イオン移動等の存在が含まれる。センサの分子１０３、１０４、１０５は、外部薬剤からエネルギーを受信し、マトリックスを介して制御分子に移す。
振動の周波数は、重要なパラメータである。その理由は、周波数によって、マトリックスを介して送信することを許可されたエネルギーレベルに一致するかを決定すると共に、制御分子に到達して、最終的に、制御分子の状態を変化させるからである。センサは、瞬時にまたは連続的に１つ以上の刺激に応答できる。したがって、センサ分子の選択は、意思決定の事象のシーケンスを生成する際に重要な役割を果たしている。当該分子と外部のエネルギー移動は、数ピコ秒のオーダーで、一般的に高速であり、したがって、外部からのエネルギーの連続ポンピングによって一連のイベントを生成することが可能になる。

［センサ分子］
分子構造内のセンサの各々１０３、１０４、１０５は、感度を維持するように、外部刺激に応答して、一時的または恒久的にその状態を変更できる。この状態の変化は、酸化還元状態、立体配座の状態、分子内イオン化、または、マトリックス及び／又はカプセル化されたゲスト分子、添付された分子機械などのような関連コンポーネントへ波及効果を送るような電子的または光学的性質の変化である。
センサ分子の緩和ダイナミクスを制御することにより、周期的及び/またはアナログの複雑な波形を生成することが可能であるため、システム内に複雑なプログラミングを誘導する。多段階の意思決定は、メモリに関連しているので、システムには情報を格納することができ、これ以降は、システム内のかなり特定の種類のダイナミクスを生成するために使用できる。さらに、この特定の機能によって、システムは、論理的に決定し、連続的な信号伝達応答をトリガすることが可能になる。

［センサ分子の結合］
分子構造内のセンサ１０３、１０４、１０５は共有結合、配位結合または静電結合、または前記マトリックス部の分子の末端との弱い相互作用力を介して結合される。レセプタで受信された情報は、カプセル化されたゲスト及び／又はマトリックスの他のコンポーネントに向かって伝播すると共に、信号特性を損なうことなく、その状態を変更できるように、その結合が構成されている。
センサ分子の結合によって、システムに導入される制御の程度が決定される。それは共有結合、弱い結合、または両方の種類の結合の混合物である。結合がマトリックスとの強い結合による共有結合である場合、エネルギー移動が高速であり、システムが複雑なダイナミクス処理を受ける。結合の性質が、共役と非共役、さらには半共役であるかによって、違いを生む。

［分子機械］
分子機械１０６、１０７はナノロボットに取り付けられている。分子機械として動作することを権利主張した日付までに、複数の分子システムの発明がある。全ての分子機械が、私たちの目的のために有用という訳ではない。結合後、分子機械が動作するが、いつ動作し、いつ動作しないかが制御分子によってトリガされる。これらの二つの基本的な要因によって、分子機械の適合性が判断される。化学的及び／または物理的に結合した分子機械は、回転ダイナミクス、並進ダイナミクス、振動ダイナミクス、スポンジのような作用を有する動的な分子である。これらの活動は、外部環境の物理的な状況を変更できる。分子機械は、ｋＴからエネルギー及び又は化学的/物理的なエネルギーを取得し、ダイナミクスを生成する。このため、エネルギー供給は、外部環境からである。
分子機械の複数の機械的な動きは、ちょうど論理ゲートのような可逆的なスイッチのように制御することができる。また、分子機械は物理的な仕事から切り離された化学的な仕事を行うこともでき、ちょうど触媒のように、結合の破壊を誘発し、再合成をできる。すべての分子機械は一緒に共鳴振動を発生させるが、それは外側に位置する別の分子機械システムと共鳴的に係合し、その対象物を破壊できる。

［コントローラユニット］
分子機械１０６,１０７のダイナミクスはコントローラユニット１０１により制御される。コントローラユニット１０１は、分子機械の任意の特定のダイナミクスのオンとオフを切り替えることができる。センサ分子、分子機械、コントローラユニット１０１及び他のコンポーネントでは、それらの間のエネルギー輸送の論理的なルールに従う。基本的には三角形の伝送チャネルは、分子機械を制御するために機能すると考えるが、これは一方通行の経路であって、センサからコントローラ、そしてコントローラから分子機械となっている。これは我々が直接合成を介して開発された、この制御をライブで実証している最も一般的な経路である。
しかしながら、我々もまた、コンポーネント間の複雑な相互作用の他の種類を権利主張するが、これはセンサ、分子機械とコントローラが同時にエネルギーを交換して意思決定に従事するものである。制御パラメータにはいくつかあり、マトリックスの幾何学的形状、コンポーネントの電子的性質などである。これらの機能は、マトリックスに付着したすべてのコンポーネント間のコヒーレンスに関連している。

図２は、異なる可能なマトリクス構造と分子カプセル化のためのキャビティの様々な性質を示す概略図である。図２において、マトリクス構造２０１、２０２、２０３、２０４の４種類があり、これらはナノロボットの使用状況に応じて使用できる。マトリクスを作成するために使用される元素のブロックと共役に依拠して、多様なナノロボットが開発された。
数値２０１と２０２では、共役結合している構造を示す。これは、連続的な二重または三重結合を有する分子鎖を有することを意味するもので、例えば、
［化１］
-C=C≡C=C=C≡C=C=C≡C=C=C≡C=
であり、π軌道は、構造を平面的にし、非常に強硬にする。数値２０３において、単一の結合のみを有する構造体であって、当該構造体が回転しており、立体構造を非常に速く変化させるものを示している。しかし、
［化２］
-C-C-C-C-C-C-
の導電性は、非常に雑音が多く、局所的な立体構造変化は、情報を保存したり、安定化されたエネルギー伝達を提供できない。数値２０４では、共役
［化３］
（-C=C-, -C≡C-）
および非共役結合（−Ｃ−Ｃ−）の組成物を有する構造を示しており、例えば、
［化４］
=C-C≡C-C=C-C≡C-C=C-C≡C-C=、
［化５］
-C≡C=C-C≡C-C≡C-C-C-C≡C-C-
などである。マトリックスキャビティの性質に応じて、異なる分子がカプセル化されてもよい。

［マトリクス形状］
マトリクスの形状は重要なパラメータである。形状が対称性の破壊、即ちエネルギー伝送プロトコルの破壊を決定する。マトリックスの分子は異なる形状をとることができ、例えば球状、立方体、多面体、円形、多角形、フラクタル分岐等がある。全ての場合において、ネットワークに沿ったエネルギー伝達は、要求の通りに、入力信号を多数のチャネルに分割したり、１つの信号に複数の入力信号を追加したりすることを示す。これらのマトリックスの表面から突出した末端基には、異なる官能基が結合される。マトリックスの形状は、このようにグローバルと局所のダイナミクスの制御を行なう。そこで、プラットフォームに取り付けられた様々なコンポーネント間のエネルギーの伝達は、この特定の機能によって厳格に規制されており、したがって制御される必要がある。

図３は、反応媒体のｐＨ対制御分子カプセル化の数の曲線を示す概略図である。ｐＨ９．５未満では、カプセル化のないマトリックスの構造３０２を示しており、ｐＨ９．５以上では、制御分子をカプセル化したマトリックスキャビティ３０３を示している。図３では、ＮＬＲはナイルレッド、ｅｎｃａｐｅｄがカプセル化である。

図４は、情報がすべての分岐に向けてコントローラユニットから広がっている概略図を示す。数値４０１は、コントローラユニットから、情報がすべての分岐に向かって広がっていることを示す。一の分岐でのエネルギー変動は当該部分に接続された分子ロータ４０２、４０３、４０４の回転角度を決定する。
ここでは、数値４０２は、特定タイプの分子ロータであり、数値４０３は他の分子ロータで、分子ロータ４０２と類似又は非類似である。最後に、数値４０４は、ロータ４０２、４０３と類似又は非類似の構造である。ナノロボットのいくつかの完全な構造は、数値４０５、４０６および４０７である。ここでナノロボット４０５と４０６は二つの構造であって、外部接続された分子ロータが類似しているが、カプセル化された分子は異なっている。ナノロボット４０５はナイルレッドであり、ナノロボット４０６は蛍光であり、
またナノロボット４０７は複数の異なる種類の分子ロータが接続されている。

図５は、完全なナノロボット合成の全合成スキームを示す概略図である。数値５０１は、第５世代のＰＡＭＡＭデンドリマーマトリックスを表わしている。数値５０２のナイルレッドは、ＰＡＭＡＭ内部にドープされている。数値５０３は、分子５０２に結合したセンサ分子である。数値５０４は、分子５０３に結合した分子ロータである。これは、マトリックス５０１から始まるナノロボット５０４のステップバイステップの合成プロセスである。

図６は概略図であって、分子の運動がエネルギーの伝送経路の性質及び関連したエネルギー量によって制御されることを示している。数値６０１は、センサからコントローラへと、コントローラから分子機械への、有効な三角形状のエネルギー伝送を示すエネルギー図である。ここで、ＭＭは分子機械、ＮＲはナイルレッド、ＰＭはＰＡＭＡＭ、ＥＬは電界効果、ＬＴは照明効果（Ｌｉｇｈｔ ｅｆｆｅｃｔ）を示している。数値６０２は、マトリックス表面に付着した分子ロータの制御された回転を示している。数値６０３は、エネルギー最小化構造およびその表面上の電位分布を示している。数値６０４は、構造体６０１を回転させたバージョンである。数値６０５は、６０４の円形で注記した部分の拡大画像である。私たちは、エネルギー伝送経路と当該経路に沿った対応する動的エネルギー変動を実証する。

図７は、センサが外部刺激剤を受け取り、その状態７０２、７０４を変更することを示す模式プレゼンテーションで、例としては、大きいサイズに変更することや色の変更がある。今２つの可能性がある。一つは、コントローラに対して次のレベルを許可する刺激情報（Ｅｏｕｔ）７０７を放出して（ｒｅｌｅａｓｅ）伝える場合、センサは初期状態７０３、７０５に戻ることができる。別のものは、時々その変化が恒久的７０６である。

図８は、前記マトリックス部の分子の表面８０２に取り付けられたセンサ分子８０１を示す概略図である。入力刺激（エネルギー）８０３は、センサ分子で受信され、かつ中心部８０８への特有の経路８０７に従って前記マトリックス部の分子の層から層８０４、８０５、８０６を介してチャネル化される。ここで、コントローラユニット８０９は、出力エネルギー８１０として刺激を受け取る。総入力エネルギーは、常に総出力エネルギーに等しく、例えばＥｏｕｔｐｕｔ=ｎＥｉｎｐｕｔである。ここで、「ｎ」はゼロより大きい任意の整数である。

図９は、異なる分子機械９０１、９０２、９０３及び９０４は異なる操作の動きを有することを示している。また、図９において、概略図は、分子機械９０６の同期した一団から、単離されたシステム９０７への共鳴エネルギーＥｒ９０５の転送を示す。単離されたシステム９０７は、同じ共鳴エネルギー９０９で同じ共鳴エネルギー状態９０８を有する。したがって共鳴相互作用によって、そのシステムの破壊９１０が引き起こされる。

図１０は、ナノロボットの単一の分岐１００１を模式的に示すプレゼンテーションで、ここでエネルギー伝達の三角形状の経路１００２が指定されている。当該経路に従って、エネルギー１００３の伝達に関しての情報処理は、外表面のセンサ１００４（またはレセプタ）から中央部１００６のコントローラ１００５で起こり、コントローラから分子機械１００７に変更された情報（エネルギー）が、再び外表面に取り付けられる。数値１００８は、ナノロボットの単一分岐のモデルである。中央部１００９から、コントローラユニット１０１０は分子機械１０１１、１０１２、１０１３に指示を送信する。異なるエネルギー１０１４の形での指示が異なる分子機械に達し、それら分子機械の速度１０１５、１０１６、１０１７と同様に動きを制御する。

図１１〜図１３は、図１〜図１０で生成された分子複合体を使用するメカニズムを説明する図である。最後に、図１４〜図１６で製造された材料の様々な実際のアプリケーションを説明する。したがって、図１１〜図１６は、この原稿に記載の物質の使用を証明する。図１１は、その共鳴一致（二つの物体から２つのＡＣ信号の和）による、強度の増強（上）を示している。一連のイベントでのナノロボット（ＰＣＭＳ）の動作はナノ粒子を破壊する。ここで、ナノ粒子は同じ共鳴特性（スケールバー６ｎｍ）を有するもので、この特定の研究において、有機の自己組織化されたアゾ分子クラスタである。

図１２は、ナノロボット（ＰＣＭＳ）の電位変動は、２つの電極Ｅ１、Ｅ２の間で測定していることを示している。不要な変動が平均化されて、パネルｃにプロットされている。
図１３は、ナノロボットの動作の真理値表を示すもので、４つの列がここにある（入力は操作モード、ＰＣＭＳの出力信号は論理出力、電位ローブにおいては、赤は電界分布が正、青は電界分布が負を示している。超分子システムでは、列３の電位を生成するためのＰＣＭＳの最も可能性の高い立体構造である）。４つの電位ローブがここに表示される。

ＰＡＭＡＭについてＰ、コントローラについてＣ、ロータについてＭ、センサについてＳという、４つの文字を組み合わせることで、ＰＣＭＳとしてナノシステムに名前を付ける。異なる組み合わせを表現するために、私たちは文字を一緒に入れる：例えばＰＣ、ＰＣＭ、ＰＣＳ、ＰＣＭＳである。４個の全製品の合成は方法の節にある。
特定の溶液にＰＣＭＳを浸漬し、または電界やレーザ光をポンピングすることで、この経路をトリガする場合は、ＳＥＭ画像に示すような、ユニークなＰＣＭＳダイナミクスが生成され、これは明るさ（または電位）のその周期的振動である。ＰＣＭＳの固有共鳴振動が、敵や標的の敵対的なシステムと完全または部分的に一致した場合には、両方のシステムは、ちょうど２つの結合された発振器のように結合される（図１１）。

そして、結合に応じて、ＰＣＭＳは脅威となるシステムのハードウェアを分解したり、不要なダイナミクスをやめる。このように、ナノ工場のようなＰＣＭＳは、隣接するオブジェクトの原子的に正確なダイナミクスを感知して、適切な応答ダイナミクスを生成して、そのシステムと情報を具体的にやりとりする。共鳴振動には、統計的な変動が含まれているが、図１３に示すＰＣＭＳナノシステムの真理値表では平均データ（図１２）を示す。

図１３は、Ｓ→Ｃ→Ｍの経路と、これに対応するダイナミクス（第２および第３列）を活性化する外部トリガ（最初の列）を表す。当該ダイナミクスは可変の周波数（４列目）の電磁振動を発生させる。図１２に示す複雑な体系的な動作を実行するためには、敵のシステムの共鳴周波数を見つける必要があり、図１３の行からＰＣＭＳに特定の環境を提供する。入力周波数に応じてアナログ的にその出力周波数の変化することに注意する。従って、ナノシステムＰＣＭＳは、機械を作るためのアナログ的決定である。

ＰＣＭＳの分子動力学は、二つの興味深い側面を示している。ロータ分子は、それが、使用可能なエネルギーｋＴを使用して±１８０°の、反対方向の二つの平面で反転するので、デンドリマーのランダムダイナミクスを安定化させる。同時に、センサＳを取り付けることにより、全体ＰＣＭＳシステムの電位変動を調整するためのツールを取得する（図１３、第２列および第３列）。
ＤＮＡは、弱い水素結合で作られているので、我々のロータの±１８０°の回転ダイナミクスに相当しており、我々はマイクロサテライトとして知られる異常に長い反復配列が存在するＤＮＡの文字列領域の共鳴周波数を計算した。マイクロサテライトは、大腸癌、子宮内膜癌、卵巣癌および胃癌で一般的に見られる。別の例では、ベータプラークの共鳴周波数を計算した。
したがって、超音波と通常の太陽光がＰＣＭＳに提供されている場合であれば、ＰＣＭＳ発振が癌細胞のＤＮＡ（図１４）とベータプラーク（図１５）の振動の各々と一致するかを、図１３から見出せる。他の種類のジョブを提供するために、既存／新規の分子機械は、適切な変更後にＭ(ロータ)を置き換えることができる。

「終結」以外に、敵対的な対象のエネルギー移動プロセスの乗っ取りによって、機械的な故障などの修理、オーバーライト分子プログラムの上書き等が可能になる。図１４で説明したように、ＤＮＡと同様のシミュレーションを介して、そのような可能性を検討し、それから図１５に示すようなベータプラークで検討した。安定性は、図１６に示すように、微小管で試験した。

一般に、反復的ＤＮＡ配列が異常に長いために、２個のＴＳＧの対立遺伝子がすでに非活性化されるようなＤＮＡは、ＰＣＭＳ面上に多数のロータによって作成された集団的な旋回の動きに敏感であることが、観察の論理的な直接の解釈である。単一細胞のスケールでの図１４ａに示すように、ナノロボットの少量の添加によって、癌細胞を破壊する。そして、癌細胞の数が多い場合を図１４ｂに示す。

しかし、樹枝状アーキテクチャは、天文学的な多数の立体配座状態を有しているため、健康な細胞のＤＮＡ以外の他の要素もまたＰＣＭＳによって攻撃される可能性が存在する。すなわち、（ｉ）マトリックスメタロプロテアーゼ（ＭＭＰ）は侵襲的性質の極めて重要な分子であり、（ｉｉ）カスパーゼは、当該ＤＮＡ自体以外のアポトーシスに対するマーカーとみなされ、分子ロータによって攻撃される可能性がある。したがって、我々は当該材料の毒性をテストし、生きている細胞の総合的な成長を発見した。即ち、ＰＣＭは毒性があることが判明したが、ＰＣＭＳは正常細胞に対して毒性がなかった（図１４ｃ）。

我々は、時間の経過と共に毒性試験の二種類を追跡し、癌細胞の約６％が１．２時間以内にＰＣＭＳによって破壊された。その後、取り残された細胞の２５％のみが、細胞分裂を起こした（図１４ｄ）。
ＰＣＭＳが癌細胞を殺すために、ＤＮＡではなく、膜を破壊する可能性を除外するために、リポソームの内部にカルボキシフルオレセイン（ｆｌｕｒｏｃｅｎｅ）を吸収させ、それをＰＣＭＳ、ＰＣ、ＰＣＭ、ＰおよびＰＣＳと一緒に扱う。我々は、ＰとＰＣが膜を最も破壊してフルオレセインを放出することを見つけた。そして、官能基の数は表面上に増加するので、ＰＣＭＳでは膜の破壊特性もゼロに減少するが、これは正常細胞がＰＣＭＳの下で生存することの１つの理由である。分子認識と分子ロータが活性化されたので、物理的な行動は原子レベルで正確であり、図１４ｅに示すように、周期的な振動時間の間に照合される。ＰＣＭＳは、癌のような多経路の変異疾患により多くを提供できる。

同様に、我々はＨＥＴ−ｓのプリオンアミロイド線維を検討し、図１５に記載のように、分子ロボットを追加した。図１５（上から下へ）から判るように、当該材料が破壊されて、複雑な構造の全体が破壊された。
最後に、これらの研究では細胞プロセスに影響を与えるかどうかを確認し、それは影響を与えないことがわかった。図１６を見れば、左から右へＣＥＥＳピークの変化がないことがわかる。これは私たちが薬としてナノロボットを使用した場合、正常な細胞の健康には影響がないことを証明している。

分子ロータ及び４個の超分子アーキテクチャの合成：
分子機械（ＭＭまたはＭ）の合成：
１−アミノ−４−ブロモナフタレンの反応性アミン基は、第２エチニルアニソールとの薗頭カップリングを容易にするために、二炭酸ジ−ｔｅｒｔ−ブチル（Ｂｏｃ）で保護されている。触媒としてパラジウムアセテート、共触媒としてトリフェニルホスフィンの存在下で、１−アミノ−４−ブロモナフタレンのＢｏｃ誘導体は、４−（２−メトキシ−フェニルエチニル）−ナフタレン−１−イルアミンのＢｏｃ誘導体を生成するように、２エチニルアニソールに結合されている。これについて、水和したテトラブチルアンモニウムフルオリドでの処理で、４−（２−メトキシ−フェニルエチニル）−ナフタレン−１−イルアミン（ＭＭ）が得られた。

ＰＣ、ＰＭ、ＰＣＭ、ＰＣＳ、ＰＣＭＳ合成：
ＰＲ、ＰＣＭとＰＣＭＳを合成するために、まず、ＰＡＭＡＭのＧ５デンドリマー（１：２）炭酸ナトリウム水溶液のメタノール水溶液が、ｐＨ＞９．５であって、ナイルレッド色素分子の存在下で採取される。４個の樹枝状キャビティの深いコアに、それらのうちの２つをカプセル化するためである。そこで、［ＰＡＭＡＭ５−ＮＲ］樹枝状ボックス（ＰＣ、ステップＩ）が得られる。
次に、ＰＣは、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）１０％とアセトニトリル４０％との混合物中に取り込まれ、ホウ酸塩緩衝液中のセンサ（ＮＩＲ７９７イソチオシアネート、Ｓ）溶液（全体積の５０％）を一度に加え、反応を室温で継続させる。すると、ＰＡＭＡＭ表面の第一級アミン基は、ＮＩＲ７９７イソチオシアネート色素分子が接続されて、反応生成物である［ＰＡＭＡＭ−ＮＲ］−ＮＩＲ７９７イソチオシアネート（ＰＣＳ、工程ＩＩ）は、次のステップに入る。

生成物ＰＣＳ、ＭＭ、ジイソプロピルアミン及びトリエチルアミンの多成分混合物を乾燥ジメチルスルホキシドに溶解し、グルタリル塩化物を２０℃以下で混合物にゆっくりと添加する。この反応を４８時間室温で実施して、最終生成物である［ＰＡＭＡＭ−ＮＬＲ］−ＮＩＲ７９７イソチオシアネート−ＭＭ（ＰＣＭＳ、ステップＩＩＩ）を回収する。
ＰＭＳに関しては、ステップＩは回避されて、残りの部分は同じままである。ＰＣＭに関しては、Ｓの代わりに、Ｍ装着部がＰＣ上で実行される。すべての工程で、生成物が十分な透析によって精製されており、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ、ラマン、ＦＴＩＲ、ＮＭＲおよびステップバイステップＣＥＥＳ分光法が、製品の性質を確認するために実施された。

組み合わせ励起発光分光法（ＣＥＥＳ）。
約２００の発光スペクトルが５ｎｍの間隔での励起波長で記録される。出力強度は、エネルギー（ｅＶ）に変換されて、励起波長および発光波長の関数としてプロットされている。等高線プロットから、ピークを検出する。各ピークで、三つの値、励起エネルギー（Ｅｘ）、発光エネルギー（Ｅｍ）、ΔＥ（＝Ｅｘ−Ｅｍ）の負または正の符号に応じて、放出プロセスの間の分子構造によって吸収または放出されたエネルギーを取得する。ラマンと分子動力学の解を用いて、どの原子群がΔＥを使用するかを見つける。この概念を用いて、一つ一つの事象のバンド遷移が評価される。４５°（Ｅｘ＜Ｅｍであるから）のラマンリッジよりも上の領域を無視し、４５°付近ではΔＥ〜０であり、全く吸収がないため、全ての印加エネルギーが外部に放出される。

次に、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、それは例示として提示されたものに過ぎず、制限的に解してはならず、例示のみに過ぎないことは当業者には明らかである。多数の他の実施形態および変形例は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に入ると考えられる。

本発明は、センサが環境を感知するように取り付けられ、分子ロータが運動のために取り付けられ、コントローラが運動についての決定を行うために取り付けられ、これらが一緒になって機械システムが、医療治療における潜在的な用途を有する周期的な電位を生成するように動作する分子構造を提供するものである。

Claims (20)

1. 複数の機能拡張部を有する分子構造であって、
   分子センサと分子機械は、前記複数の機能拡張部に取り付けられており、
   制御分子は前記分子構造のキャビティ内にドープされ、
   すべての接続されている制御分子、分子センサおよび分子機械は、相互に支える態様で性能を制御するように、共同して働くことを特徴とする分子構造。
2. 分子構造は、前記分子構造のシステムの分子センサ、分子機械及び制御分子のような機能性分子のコンポーネントより大きい分子であるマトリックス部を有し、
   前記マトリックス部は、ニューラルネットワークやフラクタルに類似の構造を含むもので、例えば、複数の分岐末端を有する樹枝状構造、線形または複数の官能化末端を有する分枝状ポリマー又はコポリマー、多官能性のバッキーボール（フラーレン）、配線のようなフラクタルを有する複合ナノ材料であることを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
3. 前記マトリックス部の分子は球状、立方体、多面体、円形、多角形、フラクタル分岐のような異なる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
4. 前記マトリックスの表面上に突出する末端基が異なる機能群を結合してあることを特徴とする請求項３に記載の分子構造。
5. 前記キャビティは、前記マトリックス部の内側の空隙であり、
   前記キャビティは親水性、疎水性、または両親媒性の性質の少なくとも一つを有し、選択的にゲスト制御分子を取り込むことを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
6. カプセル化された前記ゲスト制御分子は、コントローラユニットであって、多値酸化還元分子、色素分子、タンパク質、ポリマー、コポリマー、生体分子、ミセル、ナノ粒子、量子ドット、或いは前記マトリックス部及びそのコンポーネントからエネルギーを受け入れ、一定の論理ルールに従って前記マトリックス部を介して前記コンポーネントに別の信号を送り返すような任意の材料の少なくとも一つであることを特徴とする請求項５に記載の分子構造。
7. ゲスト制御分子のカプセル化後の環境は、前記ゲスト制御分子がゲスト制御分子からホストコンポーネントへのエネルギーの伝達のやり方を制御することを特徴とする請求項６に記載の分子構造。
8. コントローラ部の変化は形状ポテンシャル、電位ポテンシャル、磁気ポテンシャル、動的な振動ポテンシャル、熱ポテンシャルの少なくとも一つであることを特徴とする請求項７に記載の分子構造。
9. 前記キャビティは、キレート、非キレート化、水素結合の形成をトリガする原子、静電イオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
10. 前記キャビティの大きさは、原子の数、キャビティを取り囲む原子の大きさ、原子間の結合距離、請求項２のマトリックス部の分子における動態の変化、個体群密度、ｐＨ係数、媒体の粘度、媒体の双極子モーメント、温度、圧力、分子の周囲の２Ｄおよび３Ｄ環境によって決定されることを特徴とする請求項９に記載の分子構造。
11. 取り付けられたセンサ分子は、いずれかの種類の外部刺激を検出する能力を有することを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
12. 前記外部刺激は、熱、光、色 (chrome)、密度、ｐＨ値、イオン圧力、電気バイアス、特定の金属および非金属のイオンまたは原子、前記センサと前記マトリクス部及び／又は前記マトリックス部に結合した他のコンポーネントとの間のエネルギー移動を規制する内部イオン移動の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１１に記載の分子構造。
13. センサはその感度を維持するために、外部刺激に応答して、一時的または恒久的にその状態を変更し、前記状態の変化は、酸化還元状態、コンホメーション状態、分子内のイオン化、または前記マトリックス部及び／又はカプセル化されたゲスト分子、添付された分子機械などのような関連コンポーネントへの波及効果を送るような、電子的または光学的特性の変化の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
14. 周期的及び／又はアナログの複雑な波形を生成するように、センサ分子の緩和動力学を制御することを特徴とする請求項１３に記載の分子構造。
15. 前記センサは、前記マトリックス部の分子の末端と、共有結合、配位結合、または静電結合、及び／又は弱い相互作用力を介して結合されることを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
16. 前記結合は、前記レセプタで受信された情報が、前記カプセル化されたゲスト分子及び／又は前記マトリックス部の他のコンポーネントに向かって伝播し、信号特性を損なうことなく、それらの状態を変更できるように配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の分子構造。
17. 前記分子機械は、化学的及び／又は物理的に結合されていると共に、回転ダイナミクス、並進ダイナミクス、振動ダイナミクス、スポンジのような作用の少なくとも一つを保有する動的分子であることを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
18. 前記分子機械は、ｋＴからのエネルギー及び／又は化学的／物理的なエネルギーを取得し、前記ダイナミクスを生成することを特徴とする請求項１７に記載の分子構造。
19. 前記分子機械のダイナミクスは、請求項６に記載のコントローラユニットにより制御されることを特徴とする請求項１に記載の分子構造。
20. 前記コントローラユニットは、前記分子機械の任意の特定ダイナミクスのオン／オフを切り替えることができ、これにより、センサ分子、分子機械、コントローラユニットおよびその他のコンポーネントは、それらの間のエネルギー輸送の論理規則に従うことを特徴とする請求項１０に記載の分子構造。