鳥や魚の群れ、微生物などは、自律的に動き多数集まることで、秩序だった集団運動を示す群れを形成します。このように自ら動き、組織化していく物質群はアクティブマターと呼ばれ、物理学から生命科学、工学まで広く研究が行われています。群れ運動は分子スケールの極微の世界にも現れます。植物細胞内では生体分子モーターによって自走する細胞骨格フィラメントが群れをなし、細胞の形の制御で重要な役割を担うと考えられています。しかし、細胞骨格フィラメントの群れ運動 (以下では単に群れ運動) をどのようにして操るのか、秩序だったパターンをどのように作るのかという「分子の群れの交通ルール」は明らかにされていませんでした。
九州大学 大学院理学研究院 前多 裕介 准教授、理学府 修士課程の荒木 駿也 大学院生、博士課程の別府 航早 大学院生らの研究グループは、北海道大学 大学院理学研究院 角五 彰 准教授、Arif Md. Rashedul Kabir 同 特任助教らの研究グループと共に、生体分子モーターによって運動する細胞骨格タンパク質の群れを交通整理する新たなルールを見出し、このルールを利用して細胞内にみられるような細胞骨格の壁構造を作り出すことに初めて成功しました。
本研究グループは、細胞骨格フィラメントが群れる際に運動の方向を揃えていく点に着目し、運動方向の揃え方を精密に制御できる新しいマイクロ流体デバイスを構築しました。その結果、細胞骨格フィラメントの衝突にはパターンがあり、そのパターンをもとに衝突角度を制御することで群れ運動の方向制御を実証しました。さらに、明らかにした群れ運動の制御法から、植物細胞に見られるような細胞骨格の壁構造を構築することにも成功しました。本研究で得られた知見から、分子の群れを操る基本的なルールが明らかになるとともに、生体分子モーターの化学エネルギーで動作する革新的デバイスの開発につながると期待されます。
本研究成果は、2021 年 12 月 7 日 (米国東部時間) に米国科学雑誌「Nano Letters」で公開されました。
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