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自律的で知的なバイオソフトマターの物理学 (Biophysics & Living Soft Matter Physics)

生命システムを構成している、DNA/RNA、タンパク質、脂質などの生体高分子やコロイド粒子はソフトマターと呼ばれ、柔らかく大きいため、多自由度で、豊かな物性を示します。情報を持っているため、物理化学的な空間に加えて、情報学的な空間も使うことができるのが面白い点です。また、生命システムらしさの根源と言える、環境適応・自己修復・自己複製・進化などの能力は、単に分子を混ぜただけでは実現できず、非平衡開放系と呼ばれる、エネルギー・物質・情報の出入りが適切に制御され、分子反応が有機的に連携しているシステムでのみ実現されることが知られていますが、まだ研究は発展途上にあります。そこで、非平衡系における、情報ソフトマターの形成や階層的な自己組織化の方法を探求するとともに、電場等の外場による制御や、化学反応によるエネルギー代謝とのカップリングによる自律運動・集団輸送現象などのアクティブマターに関する研究を行っています。またそれらの知見を応用したマイクロマシンソフトロボットの開発も行っています。

キーワード:(1)アクティブマター、ソフトマター、マイクロ流体、生物物理学; (2) 非平衡開放系、時空間秩序形成、自己組織化; (3) 電気/化学ハイブリッド、インテリジェントシステム、ソフトロボティクス

情報生体高分子の物理からアクティブソフトマターとしての生命様システムの構築へ

生命システムを構成している,DNA/RNA,タンパク質,脂質などの生体高分子はソフトマターと呼ばれる物質群に分類されます.ソフトマターには生体高分子の他に,界面活性剤,液晶,コロイド,エマルション,ゲルなども含まれます.ソフトマターは,結晶などの狭義の固体とは異なり,複雑な構造を持ち,構造の柔軟性や内部自由度があり,遺伝情報などによる特異的な化学反応とカップルすることで動的な性質を示すため(アクティブマター),生命システムの本質であると考えられます.したがって,ソフトマターの基礎物性を研究することで,生命システムが示す自律性や創発性に迫ることができます.特に,細胞サイズのソフトマターの性質やDNAなど情報を保持したソフトマターの性質に興味があります.また,マイクロスケールでの時空間秩序形成の解明にもつながります.これらの基礎物性に関する知見を利用して,ソフトマターでできた細胞のような自律性,柔軟性,創発性をもつ運動システムを創り,地球上の生命に縛られない,物質として可能な(物理法則・化学法則の基で可能な)生命システムの形について考えるとともに,自律型ナノ/マイクロマシンの開発や分子ロボット・人工細胞の構築へ応用していきます.

(1) マイクロ液滴の自律運動・マイクロコロイドの集団運動

数μm−数百μmという細胞スケールの世界では, Reynolds数Re(=慣性力/粘性抵抗)の値が小さく(Re <<1),粘性抵抗が支配的となります.また,Weber数We(=慣性力/表面張力)の値も小さく(We <<1),表面張力も支配的となります.そのため,エネルギーを方向性のある運動に変換するのが難しいだけでなく,自律的な運動を持続させるためにはエネルギー・物質の流入・散逸のある非平衡開放系が必須です.

■ ここの研究では、一定電場下で電気的なエネルギー注入・散逸が起こる状況で、マイクロ粒子が、鋸歯状電極の間を一方向に進む現象を発見しました。Brown運動する粒子が周期的にON/OFFする鋸歯状ポテンシャル上を動くというフラッシングラチェットモデルはよく知られていますが、この研究では、鋸歯状ポテンシャルは変化しないため、別のメカニズムであることが分かります。詳細な研究の結果、私たちはマイクロ粒子が混雑して衝突する効果によって、マイクロ粒子が感じているポテンシャルが自発的にON/OFFされているように感じるというモデルで説明できることを示し、「粒子混雑効果による自発的なラチェット輸送」であると報告しました。この成果は、新規な駆動原理によるマイクロスケールのリニアモーターへ応用が可能であると考えています。

  • Masayuki Hayakawa, Yusuke Kishino, *Masahiro Takinoue, “Collective ratchet transport generated by particle crowding under asymmetric sawtooth-shaped static potential”, Advanced Intelligent Systems, Vol. 2, article number 2000031 (2020). DOI: 10.1002/aisy.202000031
  • Press release: [Japanese] [English]

■ この研究では、一定電場下で電気的なエネルギー注入・散逸が起こる状況で、マイクロサイズの油中液滴が自発的回転運動を示すことを発見しました。マイクロスケールでの電気的な非平衡開放系が生み出す時空間秩序構造であると言えます。この成果は、新規な駆動原理によるマイクロサイズのエネルギー変換装置・ロータリーモーターへ応用が可能であると考えています。

  • M. Takinoue, Y. Atsumi, K. Yoshikawa, “Rotary motion driven by a direct current electric field”, Appl. Phys. Lett., 96, 104105 (2010).
  • M. Takinoue, H. Onoe, D. Kiriya, S. Takeuchi, “Propelling microobjects using a stationary DC voltage”, Proc. MEMS, 1177-1180 (2011).

■ この研究では,化学反応を利用した自律駆動マイクロモーターの実証を行っています.微小スケールでの運動であるために避けられない”ゆらぎ”が,運動の妨げになるだけではなく,場合によっては,予期せぬ秩序を創発する可能性について,理論的にも考察しています.

  • M. Hayakawa, H. Onoe, K. H. Nagai, *M. Takinoue, “Influence of asymmetry and driving forces on the propulsion of bubble-propelled catalytic micromotors”, Micromachines, accepted.

(2) 人工細胞型の非平衡開放系リアクタの構築と制御

■ マイクロ流体システムによる細胞サイズの非平衡開放系微小反応リアクタを構築しました.細胞サイズの体積(〜ピコリットル)の反応溶液で,物質の供給と散逸をコンピュータで動的に制御できる,より細胞システムに近い非平衡状態を実現しました.分子反応制御とコンピュータ制御によるハイブリッド型人工細胞の構築も目指しています.

  • H. Sugiura, M. Ito, T. Okuaki, Y. Mori, H. Kitahata, M. Takinoue, “Pulse-density modulation control of chemical oscillation far from equilibrium in a droplet open-reactor system”, Nature Commun., 7, 10212 (2016).
    [Press release]
  • M. Takinoue, H. Onoe, S. Takeuchi, “Fusion and fission control of picoliter-sized microdroplets for changing the solution concentration of microreactors”, Small, 6, 2374-2377 (2010).
    (highlighted as the front cover picture of the issue)

(3) マイクロ流体デバイスを用いたソフトマターのマイクロ構造の生成・サイズ制御

■ 細胞は,同種細胞であれば大きさは同じですが,それぞれの内部は均質な構造ではなく,非対称性があり,それらが細胞の機能の安定性と特異性に効いていると考えられます.そこで,ソフトマターの大きさを細胞サイズに成形するとともに,一種の非対称性を持たせる技術が有用であると考えられます.この研究では,遠心力を利用して細胞サイズの微小な液滴を生成する技術を利用して,空間的な対称性の破れた異方性構造を持つゲル微粒子・ゲルファイバーを生成する手法を開発しました.生成メカニズムの研究はマイクロ流体の物性の研究として興味があります.また,細胞スケールでは方向性のある運動を取り出すことが難しく,構造異方性が重要となりますので,これらの異方性構造生成技術の開発はより生物らしい自律運動を実現できるマイクロマシンの開発などにも応用できます.

  • M. Hayakawa, H. Onoe, K. H. Nagai, M. Takinoue, “Complex-shaped three- dimensional multi-compartmental microparticles generated by diffusional and Marangoni microflows in centrifugally discharged droplets”, Sci. Rep., 6, 20793 (2016).
  • K. Maeda, H. Onoe, M. Takinoue, S. Takeuchi, “Observation and Manipulation of a Capillary Jet in a Centrifuge-based Droplet Shooting Device”, Micromachines, 6, 1526-1533 (2015).
  • K. Maeda, H. Onoe, M. Takinoue, S. Takeuchi, “Controlled synthesis of 3D multi-compartmental particles with centrifuge-based microdroplet formation from a multi-barrelled capillary”, Adv. Mater., 24, 1340-1346 (2012).
    (highlighted as the inside cover picture of the issue)
    (highlighted in Nature, vol.482, p.279 (2012), “Six-faced particles”)
  • S. Yasuda, M. Hayakawa, H. Onoe, M. Takinoue.

(4) DNAの平衡論的特性と速度論的特性の物理

■ ヘアピン型DNA分子の二次構造形成の熱力学的安定性とハイブリダイゼーション反応速度論に関する基礎物性の研究をしました.これにより,安定な二次構造を形成している場合はハイブリダイゼーションの反応速度が極端に遅くなることが分かりました.しかし,一度高温状態にしてゆっくり冷却する操作(アニーリング操作と呼ばれる)をすると,最安定状態にすぐに到達できます.これは,有限時間では,ある温度でDNAの構造が二状態とり得ることを示しています(双安定性).この知見は分子でメモリを構築するナノテクノロジーのほか,遺伝子解析の際のPCRのプライマーDNAの塩基設計設計などバイオインフォマティクス分野にも役に立ちます.

  • M. Takinoue, A. Suyama, “Molecular reactions for a molecular memory based on hairpin DNA”, Chem-Bio Info. J., 4, 93-100 (2004).