平塚研究室 平塚 祐一 准教授

Photo: 平塚 祐一 准教授

〈専門分野〉生化学、生物物理、ナノバイオ、MEMS
〈キーワード〉N/MEMS、バイオマテリアル・デバイス、生物物理

生体モーターで駆動するマイクロマシンの創製

研究内容

 生命は長い進化の過程で非常に多様な機能を作り上げてきました。その一つに、筋収縮、心筋拍動、バクテリアの遊泳や細胞分裂など生命活動に必須な「動き」に関わる機能があります。これらは、モーター蛋白質と呼ばれる大きさ数ナノメートルの非常に小さな蛋白質が集積してマイクロメーター(バクテリア)からメーター(筋肉)サイズの運動装置を作り上げています。モーター蛋白質は水中に溶けた化学エネルギーを高効率で力学的な仕事に変換する分子機械で、従来の人工モーターにはない優れた特徴を持ちます。当研究室では、この生体由来のモーターと微細加工技術を融合させたバイオハイブリッド型のマイクロマシンの作成を目指しています。次に具体的な研究成果について説明します。

図1. キネシン・微小管のマイクロトラック

やじりの指し示す方向に微小管という蛋白質分子を移動させることができます。パターンのデザインを変えることで自由自在に運動方向を制御できます。
図2. バクテリアで駆動される微小回転モーター

バクテリアの推進力を利用した世界初の微小回転モーターです。グルコースを燃料として回転します。

1. キネシン・微小管を利用した輸送素子の開発

 キネシンはモーター蛋白質の一種で、神経軸索内の微小管をレールとして物質輸送を司ります。キネシンをガラス平面に固定し、微小管とATPを添加すると、微小管はガラス面上をランダムな方向に動きます。これに半導体作成の基本技術であるフォトリソグラフィーを導入し、ガラス基板上に溝状の微細なパターンを描き、キネシン分子をマイクロトラックに集積させることで微小管の動きをマイクロパターン内に閉じこめることに成功しました。さらに「矢じり型」パターンを使うことで運動方向を整流した一方向回転運動や微小領域間の物質輸送が可能であることを示しました。この成果によりキネシン・微小管の微小輸送としての可能性が大きく広がり、現在この技術を応用した微小輸送装置の開発が広まっています。

2. バクテリアを動力源とした微小回転モーターの開発

 滑走バクテリアとよばれる固体表面に付着して移動するバクテリアが存在します。このような運動能を持つ微生物もマイクロマシンの動力源の候補として考えています。シリコン、シリコン酸化膜の微細加工技術を応用し、大きさ数十マイクロメーターの微細な構造を作成しました。生化学的な処理を駆使し、このバクテリアを微細構造に連結し、微小回転モーターの作成に成功しています。このモーターは毎分2~3回安定に回転し、エネルギー源として溶液中のグルコースを利用する、世界で初の微生物で動く人工モーターです。バクテリアのような生きた細胞を使うことで、自己修復や自己複製などの従来の人工のシステムにはない機能を付加できると期待しています。

使用装置

蛋白質精製装置、PCR、超高感度蛍光顕微鏡、マイクロマニュピレータ、マスクアライナ、ドライエッチング装置、蒸着装置

過去5年間の主な研究業績

  1. Susumu Aoyama, Masahiko Shimoike, and Yuichi Hiratsuka Self-organized optical device driven by motor proteins Proc. Nati. Acad. Sci. vol. 110 no. 41, 16408-16413 (2013).
  2. 平塚祐一、「生体分子モーターデバイス」ナノ融合による先進バイオデバイス 監修民谷栄一(CMC出版)、71-78 (2011).
  3. 平塚祐一、「モータータンパク質で駆動するマイクロマシン--生体分子機械とMEMSの融合に関する研究事例─」分子ロボテックス特集、日本ロボット学会誌、28(10),36-38 (2010).
  4. Hideyo Takatsuki, Kevin M. Rice, Shinichi Asano, B. Scott Day, Mizuki Hino, Kazuhiro Oiwa, Ryoki Ishikawa, Yuichi Hiratsuka, Taro Q. P. Uyeda, Kazuhiro Kohama, and Eric R. Blough "Utilization of Myosin and Actin Bundles for the Transportof Molecular Cargo" Small 6 452 (2010).
  5. Y. Hiratsuaka, M. Miyata, T. Tada and T. Q.P. Uyeda, Micro-rotary motor powered by bacteria, Proc. Nati. Acad. Sci. 103, 13618-13623 (2006).
連絡先

平塚 祐一/E-mail:yhira@jaist.ac.jp TEL:0761-51-1660 FAX:0761-51-1149
URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/hiratsuka/

科学技術のフロンティアは異分野の融合点にあります。本研究室では、生命科学と微細加工技術を同時に学び、夢のような技術の開拓にチャレンジしています。