北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

生体内の高分子混雑に着目した新規の細胞モデルの創成に成功

　名古屋大学大学院理学研究科の瀧口 金吾講師、同志社大学生命医科学部の作田 浩輝特任助教、藤田 ふみか大学院生、北陸先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科 生命機能工学領域の濵田 勉准教授、法政大学生命科学部の林 真人教務助手、三重大学大学院工学研究科の湊元 幹太教授、京都大学高等研究院医学物理・医工計測グローバル拠点の吉川 研一特任教授らの共同研究グループは、二種類の水溶性高分子のミクロ相分離条件下でDNAとリン脂質を共存させると、内部にDNAを取込み、リン脂質の膜で囲まれた細胞内小器官様の構造が自発的に生成することを発見しました。この発見が元になり、細胞が自律的に複雑な構造や高度な機能を生み出す機構の謎に迫る研究に発展することが期待されます。
　その成果をまとめた論文が、国際科学雑誌ChemBioChem誌のオンライン版に2020年7月15日付けで公開されましたが、この度、Very Important Paper の1つに選ばれ、研究内容を紹介するイラストがChemBioChem誌の2020年21巻23号に掲載されました。
　この研究は、平成24年度から始まった文部科学省科学研究費助成事業新学術領域『分子ロボティクス』プロジェクトおよび平成31年度から始まった日本学術振興会科学研究費助成事業『細胞結合ネットワークの構築による人工細胞モデルの組織化と集団動態発現』等の支援のもとでおこなわれたものです。

【ポイント】

• 異なる高分子 ^注１）の混雑によって高分子同士が相分離 ^注２）を起こしてミクロ液滴を形成している溶液にリン脂質を加えると、脂質が自発的にミクロ液滴の界面に局在化することで、細胞内小器官（オルガネラ）^注３）の形成に似た区画化を起こすことを発見した。
• この新知見を利用することで、リン脂質によって小胞化されたミクロ液滴の内部に、長鎖DNAを濃縮して封入させることに成功した。
• 本研究で見出されたミクロ液滴のリン脂質によって区画化される小胞化は、原始生命体（細胞の起源）のモデル実験系と成り得ると同時に、人工脂質膜小胞を調製するための有力な新手法として期待される。
• この研究成果をまとめた論文が、国際科学雑誌ChemBioChem誌に掲載され、さらに、Very Important Paper (VIP)に選ばれた。【論文を紹介するイラスト（下図）はChemBioChem誌の2020年21巻23号に掲載】

【研究背景と内容】

　近年、細胞内の複雑な構造が生み出される起源や、脂質膜によって区画化される多様な細胞内小器官および、顆粒などの膜によって隔てられていない領域 ^注３）などが形成・維持される機構について、相分離 ^注２）の視点から研究されています。
　本研究では、液－液相分離（LLPS）^注２）を示すことができる水溶性の高分子ポリマーであるポリエチレングリコール（PEG）およびデキストラン（DEX）^注１）の混合によってミクロ液滴を生成させた溶液にリン脂質を加えると、ミクロ液滴の界面に脂質が自発的に集まって膜を形成することを見出しました（図１）。この脂質に覆われたミクロ液滴が、外液の浸透圧を高張にすると、脂質二重膜でできた膜小胞と同様に破裂や穿孔、収縮をすることから（図２）、ミクロ液滴を覆う脂質が、生体膜の基本構造である脂質二重膜と同じ性質を示すことが分かりました。

図１：ミクロ液滴の界面へのリン脂質の蓄積。
リン脂質添加後のPEG / DEX混合溶液の顕微鏡画像（ミクロ液滴の生成を示す明視野像とリン脂質の局在を示す蛍光像）。蛍光像（白の破線部分）から得られた蛍光強度の空間プロファイル。

図２：高張な水溶液（NaCl溶液）の注入による脂質膜構造の形態変化。
外液の浸透圧が変化することによって、リン脂質に覆われたミクロ液滴の内部から外液に向かって大量の水分子が移動しようとする結果、脂質膜の破裂や穿孔や収縮が起きる。左から、破裂後のリン脂質の凝集塊、穿孔を起こした脂質膜の残骸、収縮した脂質膜。

　ところで、核酸であるDNAも生体内で重要な働きをしている天然の高分子です。我々共同研究グループの先行研究から、長鎖DNAがDEXを高濃度で含むミクロ液滴に遍在することが明らかにされていました。長鎖DNAを内部に濃縮して取込んだミクロ液滴を形成している相分離溶液系にリン脂質を加えると、やはり脂質が自発的にミクロ液滴を覆うことで、内部にDNAを含む細胞内小器官様の安定化された小胞の形成が認められました（図３）。
　このミクロ液滴からリン脂質膜で安定化された細胞内小器官様の小胞が自発的・自己組織的に創成されてくる過程は、原始の生命体の細胞の内部構造の起源を考える際の貴重な知見であり、多種類の高分子の混合によって細胞内小器官（オルガネラ）や膜によって隔てられていない構造が自発的に形成されてくる可能性を示した研究成果です。

図３：リン脂質の膜で区画化・小胞化されたミクロ液滴へのDNAの自発的なカプセル化。
長鎖DNAを含むPEG / DEX混合溶液にリン脂質を添加すると、自発的にDNAを取込んだ脂質の膜に覆われたミクロ液滴が生成される。

【成果の意義】

　本研究の発見は、多種類の高分子の混合によって生体高分子（ここでは長鎖DNA）を取込んだミクロ液滴が自発的に生じ、これに生体膜の重要な構成成分であるリン脂質を加えると、更にミクロ液滴の界面にリン脂質が集積して自己組織的に細胞内小器官様の小胞構造が形成されることを示した研究成果です。
　この発見の特筆すべきこととして、本研究で用いられたどの成分、高分子のPEGとDEX、生体高分子の長鎖DNA、そしてリン脂質も、酵素と基質との間に観られる鍵と錠との関係のような相互作用を互いに示さないことが挙げられます。このことは、生命現象の説明や理解に必ず分子間の特異的な相互作用の存在を想定して来たこれまでの生命科学に一石を投じるものであり、非常に重要です。
　細胞内では、細胞分裂の際、分離・分配された染色体が脂質の膜で覆われ核膜が再生することで２つの娘細胞の核が形成されます。また、オートファジーでは、変性したり役目を終えたりした生体因子や細胞内に侵入して来た細菌などの外敵の分解除去のため、あるいは細胞内物質のリサイクルのため、それらを取り込む様に脂質膜でできた"袋"を形成します。これらのことから、本研究で得られた知見は、非膜性の顆粒の様な細胞内領域と膜に覆われた細胞内小器官との関係に新たな視点を与えると共に、濃厚環境での生体高分子の在り様、細胞内に観察されるような重層的に区画された領域や細胞内小器官の様な特別な構造の起源の理解に迫る成果だと言えます。

【用語説明】

• 注１） 高分子（ポリマー）：
  ある化学物質が、様々な結合を介して連なっていくことで、より大きな分子になったもの。一本の鎖状のポリマーもあれば、枝分かれしながら繋がっているポリマーもあります。
  今回の研究で用いられたポリエチレングリコール（PEG）やデキストラン（DEX）は、その代表的なものです。
  DNAも、ヌクレオチドが連なってできた天然のポリマーです。生体内には、様々な糖鎖やアクチン線維や微小管の様なアクチンやチューブリンと呼ばれる蛋白質が繊維状に集まってできた細胞骨格などが存在していますが、これらも天然のポリマーと考えることができます。
• 注２） 相分離、液－液相分離 (Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS)：
  LLPSは、複数の水溶性高分子を混合し混雑化すると（図４ (a)）、ある高分子が他の高分子よりも高濃度で存在する領域が水溶液中に現れる現象です。このように異なる領域に分かれていく現象を相分離と呼びます。そのようにしてできてくる領域ですが、混合の仕方によって生きた細胞や細胞内小器官と同等のサイズを持つミクロ液滴になります。
  今回の研究では、PEGが濃く存在する溶液中に、DEXが濃く存在するミクロ液滴が生じる条件下で実験が行われました（図４ (b)）。

図４：PEGとDEXの混合（左）によって生じるLLPS（上）。Bars = 100 μm。本共同研究グループの先行研究論文 ChemBioChem 2018, 19(13), 1370-1374 (Figure S1) より転載。

• 注３） 細胞内小器官（オルガネラ）：
  細胞内に存在する核やミトコンドリア、ゴルジ体などの総称。
  これまで細胞内小器官は、膜によって外界から隔てられて、その構造や機能が維持されていると考えられてきました。しかし近年、膜によって外部から隔てられていない領域・顆粒（例として核小体やストレス顆粒など）が、非膜性の細胞内小器官として重要な働きを担っていることが分かってきて、それらの形成維持機構が、細胞内の複雑で階層的な構造の組織化に関連して議論される様になっていました。

【論文情報】

【研究費】

・科研費　基盤研究（A）（15H02121）
・科研費　基盤研究（C）（19K06540）
・科研費　基盤研究（B）（20H01877）
・特別研究員奨励費（18J12947）
・文部科学省新学術領域研究
「アメーバ型分子ロボット実現のための要素技術開発とその統合」（24104004）
・文部科学省新学術領域研究
「ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立」（25103012）
・文部科学省新学術領域研究
「宇宙からひも解く新たな生命制御機構の統合的理解」（18H04976）

令和2年12月9日

国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学

＜参　考＞
1　ムーンショット型研究開発制度
　本制度の詳細については、以下を参照
　https://www8.cao.go.jp/cstp/moonshot/index.html

2　ムーンショット目標
　2020年1月CSTIにおいてムーンショット目標1～6が決定。2020年7月には健康・医療戦略推進本部においてムーンショット目標7が決定

　目標1：2050年までに、人が身体、脳、空間、時間の制約から解放された社会を実現
　目標2：2050年までに、超早期に疾患の予測・予防をすることができる社会を実現
　目標3：2050年までに、AIとロボットの共進化により、自ら学習・行動し人と共生するロボットを実現
　目標4：2050年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現
　目標5：2050年までに、未利用の生物機能等のフル活用により、地球規模でムリ・ムダのない持続的な
　　　　 食料供給産業を創出
　目標6：2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現
　目標7：2040年までに、主要な疾患を予防・克服し100歳まで健康不安なく人生を楽しむための
　　　　 サステイナブルな医療・介護システムを実現

3 　NEDOムーンショット型研究開発事業の採択結果
　https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101346.html

令和2年9月7日

　物質化学領域の都 英次郎准教授、谷池 俊明准教授、西村 俊准教授らの「昆虫機能を模倣したミリメータースケールのロボット（ミリボット）」に係る論文が、Advanced Intelligent Systems誌の表紙に採択されました。なお、本研究成果は日本学術振興会科研費［基盤研究A、国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）］の支援のもと行われたものです。

■掲載誌
Advanced Intelligent Systems

■著者
Sheethal Reghu, Hui You, Kalaivani Seenivasan, Shun Nishimura, Toshiaki Taniike, Eijiro Miyako*

■論文タイトル
Design and control of bioinspired millibots

■論文概要
　本研究は、マグネタイト、ゼオライト イミダゾリウム フレームワーク-8（ZIF-8）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）から成る機能性ナノコンポジットを開発し、光や磁場といった外部刺激によって機能制御可能なミリメータースケールのロボット（ミリボット）を作製しました。本ミリボットは、昆虫の様々な動きや機能からインスピレーションを得ており、例えば、アメンボのように水面上をスイスイと動くなど、多彩な性能を発揮します。

論文詳細：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000059

令和2年7月22日

物質化学領域の都 英次郎准教授の「シャボン玉を利用した花粉交配」に係る研究成果が、iScience誌（Cell Press）に掲載されました。また、本研究成果は、Cell Pressから独創的な技術としてプレスリリースされ、Science、CNN、BBC、New York Timesといった数多くの情報メディアに注目の記事として取り上げられました。なお、本研究成果は日本学術振興会科研費［基盤研究A、基盤研究B、国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）］の支援のもと行われたものです。

■掲載誌
iScience

■著者
Xi Yang, Eijiro Miyako*

■論文タイトル
Soap bubble pollination

■論文概要
　近年、作物の授粉を担うミツバチ等の花粉媒介昆虫の減少が、食糧危機に関わる世界規模の社会問題になっている。昆虫による生物花粉交配の代替手段として、人の手による人工授粉が行われているが、手間と労力が掛かる。本研究では、花粉粒子を活性化させ、かつ使用花粉量を削減可能な機能性シャボン玉と自律制御可能なロボット技術（ドローン）を組み合わせた人工花粉交配法の開発に取り組んだ。

論文詳細：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004220303734

Science：
https://www.sciencemag.org/news/2020/06/drone-delivered-soap-bubbles-could-help-pollinate-flowers

CNN：
https://edition.cnn.com/2020/06/17/world/soap-bubble-robotic-pollination-study-scn/index.html

BBC：
https://www.bbc.com/news/science-environment-53081194

New York Times：
https://www.nytimes.com/2020/06/17/science/bubbles-pollinating-bees.html

令和2年6月18日

物質化学領域の都 英次郎准教授、谷池 俊明准教授、西村 俊准教授らの「昆虫機能を模倣したミリメータースケールのロボット（ミリボット）」に係る研究成果が、Advanced Intelligent Systems 誌（Wiley社）に掲載され、Advanced Science Newsにてハイライトされました。なお、本研究成果は日本学術振興会科研費［基盤研究A、国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）］の支援のもと行われたものです。

■掲載誌
Advanced Intelligent Systems

■著者
Sheethal Reghu, Hui You, Kalaivani Seenivasan, Shun Nishimura, Toshiaki Taniike, Eijiro Miyako*

■論文タイトル
Design and control of bioinspired millibots

■論文概要
　本研究は、マグネタイト、ゼオライト イミダゾリウム フレームワーク-8（ZIF-8）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）から成る機能性ナノコンポジットを開発し、光や磁場といった外部刺激によって機能制御可能なミリメータースケールのロボット（ミリボット）を作製しました。本ミリボットは、昆虫の様々な動きや機能からインスピレーションを得ており、例えば、アメンボのように水面上をスイスイと動くなど、多彩な性能を発揮します。

論文詳細：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000059

Advanced Science News詳細：
https://www.advancedsciencenews.com/millibots-act-as-artificial-insects/

令和2年6月12日

　10月26日（木）、27日（金）の2日間、福井県産業会館（福井県福井市下六条町）にて北陸最大規模の総合技術展示会「北陸技術交流テクノフェア2017」が開催されました。

　本学からは、知能ロボティクス領域のHO, Anh Van准教授が「食品の把持に好適なソフトロボットハンド」について出展し、材料の柔らかさを活かした次世代ロボットの開発について、来場者に対して分かり易く説明しました。

　本学出展ブースには、機械部品や食品製造業を中心とした企業関係者、金融機関や公的機関等の関係者及び本学への入学希望者等、2日間で25名の方々が来訪されました。HO, Anh Van准教授は、自身の研究内容について説明しながら、来場者と活発な意見交換を行いました。

本学出展ブースにて来訪者へ説明・情報交換等を行う様子

口頭発表をするHO,Anh Van 准教授

平成29年11月7日

　10月26日（木）、27日（金）の2日間、福井県産業会館（福井県福井市下六条町）にて「北陸技術交流テクノフェア2017」が開催されます。
　本学からは以下の研究室が出展します。
　ご来場の際にはぜひお立ち寄りください。

詳細はこちらをご覧ください。
・北陸技術交流テクノフェア2017公式サイト　
・北陸技術交流テクノフェア2017出展者情報

　6月28日（水）～30日（金）の3日間、東京ビッグサイト（東京都江東区有明）にてバイオ・ライフサイエンスに係る大規模展示会「BIO tech 2017（第16回バイオ・ライフサイエンス研究展）」が開催され、同展示会内で催された「第14回アカデミックフォーラム」に、本学から生命機能工学領域の藤本健造教授及び平塚祐一准教授が出展しました。

　藤本教授はUFC（超高速光架橋）法を用いた核酸類操作について、平塚准教授はモータータンパク質で駆動するマイクロロボットの開発について、ポスター発表を行いました。2日目には藤本教授、平塚准教授ともに口頭発表も行い、訪れた聴講者で本学ブースは賑わいを見せていました。
　ポスター発表は3日間通しで行われ、本学ブースには企業や大学、公的研究機関から約200名の方々が訪れました。本学展示説明者は、展示した研究成果について資料を用いながら説明し、来訪者と活発な情報交換を行っていました。

藤本教授

平塚准教授

　　
本学出展ブースにて来訪者へ説明・情報交換等を行う様子

平成29年7月7日

　6月28日（水）～30日（金）の3日間、東京ビッグサイト（東京都江東区有明）でBio Tech 2017(第16回 バイオ・ライフサイエンス研究展)が開催されます。同展示会内で催される、大学・国公立研究所の研究者がバイオ研究の成果発表を行う「第14回アカデミックフォーラム」に、本学から以下の2研究室が出展します。
　ご来場の際にはぜひお立ち寄りください。

詳細はこちらをご覧ください。
・Bio Tech2017 公式サイト　http://www.bio-t.jp/
・アカデミックフォーラム ページ　http://www.bio-t.jp/Academia/About/