崇之教授の研究グループは、独自に開発した顕微鏡を用いて、マウスの気管表面の繊毛たった「1本」の動きを高精度・高速度で撮影することに成功しました。加えて、本年のノーベル物理学賞の対象となった光ピンセットという技術で「繊毛の先端を捕捉」し、人為的な負荷を与えても繊毛が周期的に動き続けることを可視化しました。Reports」において、原著論文として発表されました。西坂崇之教授の研究グループは、哺乳類の気管表面の繊毛が様々なノイズ環境下でも安定して動作するように設計された高度な分子機械であることを顕微計測により初めて明らかにしました。私たち哺乳類の「気管」は、体に有害な塵や病原菌といった物質に常にさらされています。これらの異物を押し流すために、肺からのどへ向けた粘液層の流れが存在します。(せんもう)」と呼ばれる長さ数ミクロンの非常に小さな毛の周期的な運動により生み出されることが知られています。このような変動の多い環境下で繊毛がどのように安定した動作を達成しているか、その詳細はよくわかっていませんでした。博士後期課程3年の加藤孝信さんは、西坂研究室で独自に開発した顕微鏡を用いて、繊毛たった「1本」の動きを高精度・高速度で撮影することに成功しました。気管繊毛の高精度測定と光ピンセットによる捕捉は世界で初めてのことです。繊毛の動きに異常をきたすと、慢性副鼻腔炎などのさまざまな病態を引き起こすことが知られており、今回の成果は繊毛に関連する疾患の理解につながることが期待されます。保たれていることが知られています。1本1本の繊毛は「自律的に動く」ことができるのです。この動きによって気管表面に粘液層の流れが生み出され、呼吸とともに入り込んできた体に有害な塵や病原菌といった異物を肺からのどへ向けて押し出すことにより、私たちの肺の中が清浄に保たれています。この粘液層の流れはどのように生み出されるのでしょうか。粘液という非常に粘りけのある流体の中で、どの程度この自律性を維持しているのか、これまでにその詳細な動きが観察されたことはありませんでした。気管繊毛は密集して生えており、その1本の動きを正確に取得することは実現されてきませんでした。蛍光ビーズは明るく光るため、高い精度で位置を求めることが出来るだけでなく、高速度の撮影をすることが可能になります。(特許取得、図4参照)。動きを、3次元的に高精度かつ高速度で取得することに成功しました。研究グループは、さらに気管表面のような粘度の高い環境で、繊毛がどのような運動を行うかを調べるために、繊毛のまわりを粘度が高い流体でみたした状態にして、同様の測定を行いました。繊毛先端の動きの3次元的な観察は初めてのことです。今回の研究によりこれまで測定できなかった、「有効打」と「回復打」の高さ方向の動きに関して正確な値を求めることが出来ました。コンピュータを用いた計算により、この高さの差を維持する性質によって、気管表面のような粘度が高い環境下でも流れを生み出すことが出来ることを明らかにしました。''つまむ''さらに研究グループは、繊毛の一部分のみに負荷をかける、という特殊な環境下での3次元測定も行いました。このときに使用したのが「光ピンセット」という技術です。pN程度の負荷をかけることを実現しました。光の強さは局所的に太陽光の100兆倍に達し、発生する力は動いている繊毛が溶液を押し出す力の数十倍の強さで、繊毛が動ける範囲を10分の1程度まで制限することができました。ことに成功したと言えます。これまで、光ピンセットはタンパク質1個から数個に対して用いられてきたものであり、数十万個以上のタンパク質から構成される気管繊毛を捕捉したのは初めてのことです。興味深いことに、繊毛先端の動きを強く制限すると繊毛は上下に動くようになりました。どのような実験条件でも、捕捉中の上下運動は、捕捉前の1~1.3倍はやい周期でした。繊毛が上下運動をするようになった理由はよくわかりません。繊毛は動きを制限すると周期的な運動が出来なくなると考えられていたので、これは新しい知見です。気管表面のような高粘度の環境でも、この繊毛がもつ周期を維持するロバスト設計によって運動を維持できると考えられます。私たちの体の中にはさまざまな部位に繊毛が存在し、繊毛が生み出す流れは種々の機能を担っていることが知られています。気管繊毛をはじめとするこれら繊毛の機能不全は、さまざまな病態を引き起こします。繊毛の遺伝子異常から引き起こされる病態を総称して繊毛病と呼びます。現在、繊毛がどのように自律的な動きをしているのか、その詳細な機構はよくわかっていません。今回の研究は、繊毛運動を「動き」と「力」の双方から詳細に分析したもので、運動機構のしくみに迫るものです。今回えられた知見が、繊毛病をはじめとした繊毛関連疾患の根本的原因の理解へつながることが期待されます。今回開発された顕微鏡は、気管の繊毛以外の繊毛に対しても適用することが出来ます。気管の繊毛に近い構造をもった繊毛は、脳や、鼻の粘膜、卵巣と子宮をむすぶ輸卵管などに生えています。いずれの繊毛も水頭症や不妊症といった病気と関係しています。この技術を用いれば、動いている繊毛を止めたり、動かない繊毛を人為的に動かすといったことが可能となります。これら繊毛の力学的特性の測定や刺激を与えた時の応答は医学的な面からも重要です。今回開発された顕微鏡は、繊毛以外の細胞の器官・構造に対しても適応できます。''つまむ''」のうち、第2段落中の図版参照の記載に誤りがありました。正しくは「図6参照」です。ここにお詫びして訂正いたします。koho-off@gakushuin.ac.jp(図1)3つの実験条件。高精度の測定を比較解析することで、外部からの負荷によって繊毛が受ける影響を明らかにした。(図3)気管繊毛1本の動きの模式図。:蛍光ビーズを付着させた繊毛。図はxz-射影、つまり横から見たときの動きを表す。中央:繊毛先端の動きの時間変化。学生の個性を尊重しながら、文理両分野にわたる広義の基礎教育と多様な専門教育を有機的につなげる教育を行っています。自ら課題を発見し、その解決に必要な方策を提案・遂行する力を十分に身につけた人材を育成すること。それが学習院大学の使命です。