西山雅祥 物質－細胞統合システム拠点（iCeMS ＝アイセムス ）特定准教授（白眉センター特定准教授）、原田慶恵 同教授、林真人 名古屋大学理学研究科研究員、滝口金吾 同講師、風山祐輝 東京大学総合文化研究科元大学院生、豊田太郎 同准教授らの研究グループは、細胞骨格微小管を封入した細胞サイズの人工脂質膜小胞を、圧力や温度の変化を利用して、可逆的に繰り返し形態変化させることに世界で初めて成功しました。
また、本研究成果は、2016年3月29日（米国東部時間）に全米化学会（American Chemical Society）発行の雑誌「Langmuir」の電子速報版にて掲載されました。
研究者からのコメント
今まで開発された分子ロボットは、細胞にみられるような自律的な運動はできておらず、一連の動作を１回限り行えるような単純なものに限られていました。本研究では、生命が創り出したナノメートルサイズの「運動マシナリー」を利用することで、生きた細胞のように人工細胞を繰り返し変形させることを実証できました。この化学物質も遺伝子操作も使わない新しい手法を活用することで、生きた細胞・組織をコントロールできる新しい医療技術などを開発できると期待されます。
本研究成果のポイント
- 内部に実装した生体高分子の状態を繰り返し操作することで、細胞と同じサイズを持つ人工脂質膜小胞の形状を繰り返し変化させることに成功
- 分子で作ったマイクロメーターサイズのロボットを自在に運動させるために必要な、可逆的に繰り返して行える変形が、蛋白質やリン脂質といった身近な分子を用いて実現可能なことを実証
- 高圧力顕微鏡の基礎的な生物学と生物材料を応用した工学の分野の垣根を越えた使用と、人工脂質膜小胞の新しい調製方法の有効性を証明
概要
現在、段階的な機能拡充を通して複雑な分子ロボットを創製する方法論（分子ロボット進化）の一環として、細胞骨格と分子モーターを細胞サイズの人工脂質膜小胞内で再構成した第一世代の分子ロボットのプロトタイプの実現を目指した研究が行われています。しかし、これまでに開発された分子ロボットは、細胞にみられるような自律的な運動はできません。生きている細胞のように、何度も動作を繰り返して行うことで運動する分子ロボットを構築するためには、これまで行われてきたようなトップダウンで分析論的なアプローチだけでは不十分であり、ボトムアップで構成的なアプローチに基づく「モノ作りによる検証や実証」が不可欠となります。
そこで本研究では、細胞サイズの人工脂質膜小胞の内部に細胞骨格を再構成した第一世代の分子ロボットの研究開発に取り組みました。その成果として、生物から単離精製した蛋白質チューブリンを細胞と同じ大きさの膜小胞内に封じ込め、小胞の外部から実験系の圧力を操作することで、チューブリンから微小管への重合反応と、その逆反応である微小管からチューブリンへの脱重合反応を繰り返し起こすことで、世界で初めて膜小胞を 「可逆的」に「繰り返して」変形させることに成功しました（図）。これは、分子からマイクロメーターサイズのロボットを構築し、運動させるための方法論を確立して行く上で非常に大事な一歩となるものです。
私たちの体内にある細胞は、変形を「可逆的に繰り返す」ことで運動し生命活動を営んでいます。本研究の成果を利用すれば、細胞を模倣したマイクロメーターサイズの分子ロボットの構築が期待できます。
図：細胞と同等サイズの人工脂質膜小胞を繰り返し変形
©2016 American Chemical Society
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 http://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b00799
【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/230561
Masahito Hayashi, Masayoshi Nishiyama, Yuki Kazayama, Taro Toyota, Yoshie Harada and Kingo Takiguchi (2018). Reversible Morphological Control of Tubulin-Encapsulating Giant Liposomes by Hydrostatic Pressure. Langmuir, 32(15), 3794-3802.
- 中日新聞（4月12日 21面）、 Nature Nanotechnology（2016年5月 vol.11 403ページ） に掲載されました。
