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自然に学ぶ研究事例

第99回分子モーターに学ぶナノ輸送システムの開発
材料・デバイス開発
生体機能
ナノの世界の人工コンテナ列車
生体細胞内では、さまざまな物質が運搬されている。 小胞に入った物質をモータータンパク質が引いて レールタンパク質の上を移動するメカニズムを利用した、 分子モーターに学ぶナノ輸送システムの開発とは?
移動するコンテナ複合体
移動するコンテナ複合体

写真左は、コンテナ複合体(輝点)がアクチンフィラメント(レールタンパク質)上を移動する様子を全反射照明蛍光顕微鏡(TIRFM)で撮影したもの。開始(一番上)から5秒ごとの位置の動きを観察し、30秒間で約5μmの距離を安定して移動することが確認できた。写真右は、同じTIRFMでビデオ撮影したもので、赤がレールタンパク質、緑がコンテナ複合体。左から右、上段から下段の順で0.3秒後の位置を示している。複数のレールタンパク質をループ上に敷設すると、レールを乗り換えて動き続けることが観察された。

私たちの体内では、タンパク質や脂質をはじめ、核、神経伝達物質など、さまざまな物質が生産され、細胞内を運ばれています。その運搬に関わるのが、レールタンパク質とモータータンパク質(分子モーター)です。物質は小胞に取り込まれ、分子モーターがレール上を運んでいくのです。この生体のメカニズムを応用し、小胞の代わりにナノ材料を運搬する“人工コンテナ列車”が、世界で初めて開発され大きな注目を集めています。

開発された人口コンテナ列車は、カーボンナノチューブ(CNT)などのナノ材料を天然の多糖(シゾフィラン)でつくったコンテナで梱包し、分子モーターであるミオシンを車輪として金属イオンを介して複合化したもので、水中で自己組織的に構築することが可能です。スライドガラス上にレールタンパク質であるアクチンフィラメントを固定してコンテナ列車の動作を調べたところ、生物の燃料であるATP(アデノシン三リン酸)を消費しながらレールに沿って移動することが確認されたのです。また、CNT以外にDNAの運搬にも成功しています。

そして、熱感応性ポリマーを修飾したコンテナ複合体で荷物の積み降ろしテストも行われています。分子モーターはタンパク質であるため、低温では作動せず、コンテナ複合体は動きません。ここで近赤外線光を照射すると、CNTが発熱してコンテナ複合体周辺の温度を上昇させ、熱感応性ポリマーの作用によって荷物をコンテナに積み込みます。さらにATPを加えるとコンテナ列車が動き出します。そして、光照射をやめるとコンテナ複合体周辺の温度が下がり、動きが止まるとともに荷物を放出するという、動作制御のできる人工コンテナ列車の可能性が示されたのです。

人工コンテナ複合体は、ナノの世界でさまざまな物質を運ぶ輸送システムとして、生体内で薬を目的の場所に的確に運搬するドラッグデリバリーシステム(DDS)などへの応用が期待されています。さらに色素を取り込むことも確認され、色素を利用した薬剤(光感受性物質)を使い、レーザー照射でガンなどを治療する光線力学療法への応用も考えられているのです。

土屋陽一 研究員

九州先端科学技術研究所 ナノテク研究室

夢は高次の分子機械をつくること
分子と分子を組み合わせて新しい機能性材料をつくる超分子化学を主に研究してきました。この人工コンテナの研究は、生物のシステムを模倣して新しいものをつくるという、材料化学と生物分野の融合研究としてスタートしたものです。境界複合領域の研究に携わることで、分野を超えた幅広い視野を持つことの重要性を実感しています。これからも常に多角的な考えで研究を行い、新しい材料やナノシステムを発信していきたいと考えています。 そして、いつか分子機械をつくりたいですね。現段階の分子機械研究は、まだ「部品」レベルを超えることができていません。分子と分子を組み上げて機能を有する組織体をつくり、それを高次化していくことで高機能かつ実用的な分子機械の開発につながり、最終的には疑似生命体のような高度な分子機械ができるだろうと夢見ています。

トピックス
モータータンパク質は、ATP加水分解のエネルギーを使い、細胞の運動を発生させたり、物質輸送などを行うタンパク質です。アクチンフィラメント上を歩くミオシン、微小管上を動くキネシンとダイニンの3種類が確認されています。たとえばミオシンは、異なる働きをするもの20種類くらいが存在し、その1つが筋肉の動きに関わっています。筋繊維はアクチンフィラメントとミオシンが何重にも重なってつくられており、ミオシンがアクチンフィラメントの上を動くことにより、筋繊維がスライドして筋肉の収縮が起こるのです。 また、キネシンも45種類ほど確認されており、細胞分裂や神経伝達物質の運搬などに重要な役割を果たしています。
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