省エネルギーな小型デバイスの実現に大きく前進ツイート研究2019.10.08ポイント物理的な刺激を加えることで、自走する約1億個の分子機械の集団運動の制御に成功。分子機械の行動パターンは変調可能で、自己修復する機能も有する。Hess教授らの研究グループは、自走する約1億個の分子機械の集団運動を、単純な物理刺激で制御することに成功しました。群れ(集団)で行動する鳥や魚、細胞などは様々なスケールで自発的にパターンを形成します。タンパク質からなる分子機械も、集団となることで様々なパターンを形成します。これらの分子機械は、電気や熱のエネルギーではなく、化学エネルギーで駆動するのが特徴です。デバイスなどの動力源として期待されています。これまでそのような分子機械の群れのパターンを制御することは出来ていませんでした。本研究では、自走する約1億個の分子機械に伸張や圧縮などの単純な物理刺激を加えることで、群れのパターンを制御できることを見出しました。この群れのパターンをかき乱しても、直ちに自己修復されることもわかりました。本成果は、省エネルギーな小型デバイスの実現を前進させるだけでなく、研究グループが開発してきた分子群ロボット制御への応用も期待されます。コロンビア大学がコンピューターシミュレーションなどによる理論構築を担当しました。Nano誌に掲載されました。SF映画の中の用語でした。近年発展したナノテクノロジーによって様々な分子機械が実現され、さらに2016年には分子機械を設計・合成した欧米の研究者3名がノーベル賞を受賞し、現在注目を集めています。自走する分子機械についての研究はまだ新しい分野であり、体系的な学問もありません。これらの分子群ロボットは、キネシン/微小管[用語1]というタンパク質からなる分子機械によって駆動されています。この分子機械は、化学エネルギー(アデノシン三リン酸:ATP)を高効率に利用して動く特徴があります(単位重さあたりの出力が一般的な電磁モーターの20倍)。このように分子群ロボットの群れを利用することで、単体では成しえないような仕事をさせることができます。分子群ロボットのサイズはマイクロメートルと小さく、分子群ロボットの群れを制御する方法論の確立が課題となっていました。本研究では、自走する約1億個の分子機械に伸張や圧縮などの物理刺激を加えることで、その集団運動を制御可能であることを世界にさきがけて実証しました。本研究で用いた分子機械は、バイオエンジニアリングにより作られたタンパク質「キネシン」と「微小管」から構成されています。伸縮可能な基板表面にキネシンを固定し、ATP存在下で微小管を基板上で自走させます(図1)。次に、この基板を伸縮させることで、基板表面で自走する約1億個の微小管に物理的な刺激を与えて微小管の運動方向を制御します。基板を1.3倍以上伸縮すると、約1億本の微小管のほぼ全てが伸縮方向に対して垂直に並び、基板を1.3倍以下で繰り返し伸縮すると、対角線方向に並んで運動することがわかりました(図2、3)。基板を放射線状に伸縮すると微小管が同心円状に並ぶことも見出しました(図4)。この微小管の運動パターンは、新たな物理刺激を与えることにより変調可能で、微小管の配列に欠陥が生じても自己修復されることも見出しました。シミュレーションにより、微小管の規則的な配列メカニズムは微小管の変形と関係があることや、微小管の集団運動が微小管の配列を促進していることもわかりました(図5)。図1.(a)キネシンを固定したソフトゴム基板上で微小管を運動させる方法の模式図。黒矢印は微小管の運動方向を示す。μm図2.(a)運動する微小管に伸縮刺激を与える方法。(b)刺激の種類に応じた微小管の異なる運動モード。黒い両矢印は伸縮軸を示す。スケールバー:50μm。顕微鏡の視野に対して、微小管全体のスケールが大きすぎるため、(i)(ii)いずれも全体の一部のみを表示している。図3.新たな刺激を与えたことによる微小管の運動モードの変調。繰り返し与えた伸縮刺激によって、対角線上に並んで動く微小管に対し、より大きな伸縮刺激を与えた。刺激後、微小管は伸縮軸に対して垂直方向に並んで動いた。図4.微小管円運動の発現。(a)伸縮刺激の模式図。ソフト基板の中心を押し上げ、その後、初期状態に戻した。基板の伸縮軸は押し上げた部位を中心に放射状になる。