ポイント

■ DNAを材料にして世界最小のコイル状バネを設計し、細胞への“微小な力”の超高感度計測に成功

■ この計測技術により、生物の機械的な情報処理のメカニズムを解明するための研究が大きく前進

■ 今後、超省エネの情報処理システムを実現し、新しい原理のコンピュータの開発等につながることに期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田 英幸）の岩城光宏主任研究員らの研究グループは、国立研究開発法人理化学研究所（理研、理事長: 五神 真）と共同で、DNAを材料に世界最小のコイル状バネを設計し、細胞への“微小な力”の超高感度計測に成功しました。

　まだ詳細が分かっていない「脳や細胞における超省エネの機械的な力の情報処理メカニズム」を解明することができれば、全く新しい原理によるコンピュータの開発等につながることが期待されています。

　今回開発したのは、細胞へのノイズレベルの“微小な力”の大きさと向きを、サブピコニュートン精度で検出する“世界初”の計測技術です。この計測技術によって生物の力学情報処理メカニズムを解明するための研究が大きく前進し、今後、超省エネで電力消費の少ない全く新しい原理の情報処理システムを実現する新たな指針を得ることが期待されます。

　なお、本成果は、2023年7月3日（月）10:00（日本時間）に、米国科学雑誌「ACS Nano」に掲載されました。

背景

　生物は、コンピュータよりも極めて少ない消費エネルギーで複雑な情報処理を行っており、神経伝達物質のような化学分子や電気で互いに情報のやり取りをしていることはよく知られています。

　近年、機械的な力を信号として情報のやり取りを行っていることが分かってきました。ノイズレベルの“微小な力”も高感度に検出して力学情報処理しているため、超省エネな情報処理に寄与していると考えられていますが、そのメカニズムは分かっていません。

　その一因として、細胞が検知している“微小な力”を高感度で計測する技術が大きく不足していることが挙げられますが、既存の計測技術では、「“微小な力”の時間的な変動を正確にとらえることができない」「力の測定レンジが狭い」「力の大きさと同時に向きの情報を高い時間分解能で得ることができない」などの問題を抱えていました。

今回の成果

図1 DNAを材料に設計したタンパク質サイズの世界最小のコイル状バネの模式図様々な分子に連結可能で、バネの硬さもプログラムすることができる。

　今回の研究では、DNAを材料にしてタンパク質サイズの世界最小のコイル状バネ（ナノスプリング）を設計し（図1参照）、細胞とガラス基板の間に連結させて（図2参照）、細胞への“微小な力学情報（大きさと向き）”をサブピコニュートン精度で精密計測することに世界で初めて成功しました。

　直径35ナノメートル、長さ200～700ナノメートルのナノスプリングを設計し、その一端を細胞膜表面に存在するインテグリンに連結し、もう一端には細胞外部のガラス基板に連結しました。両者の間で力学的な情報のやり取りが起こると、ナノスプリングが伸展もしくは短縮するのが観察され、伸展の向きの変化も同時に観察することができました。さらに、これらの変化をナノメートル精度で精密に画像解析する手法も新たに開発することで、力の大きさと向きの時間的な変動を同時に計測することができました（図2参照）。ナノメートル解像度での計測を実現したことで、ノイズレベルの“微小な力”（～1ピコニュートン）も含めた動的な変動を容易に検出することが可能になりました。

図2 ナノスプリングを用いた細胞の検知する機械的な力の計測例

ナノスプリングの両末端を1本鎖DNAとし、これらと相補的な配列を持つ1本鎖DNAを介して、インテグリン結合分子（RGDペプチド, cRGDfK）及びガラス基盤への接着分子（ビオチン）をナノスプリングにつなげた。これにより、インテグリンとガラス基板の間をナノスプリングで連結し、蛍光観察によって伸展長を精密計測することで、ピコニュートンの“微小な力”の変動が世界で初めて検出できた。（白矢印のバネが伸展している。）

今後の展望

　細胞内部では、様々な接着斑形成分子やアクトミオシンなどが動的に揺らいで自己集合と離散を繰り返しながら、インテグリンを介した“微小な力学信号”を検出・情報処理し、細胞運動や遺伝子発現の調整などを行っていることが分かっています。このように、システムが内包する“ゆらぎ（ノイズ）”を利用しながら情報処理する仕組みは、既存のコンピュータとは全く異なる原理であり、生物の超省エネな情報処理を実現するための重要な特徴であると考えられています。

　一方で、既存のコンピュータは、ノイズを抑制してシステムを制御するため、情報処理に大きな消費エネルギーを必要とします。近年の情報処理量の増大やシステムの複雑化を受けて、必要な電力量は莫大となっていくため、その対応が喫緊の課題の一つとなっています。今回の技術開発を通して生物の力学情報処理の仕組みを学ぶことで、超省エネで電力消費の少ないノイズロバストな情報処理システムを実現する新たな指針を得ることが期待されます。

各機関の役割分担

・情報通信研究機構: ナノスプリングの設計、音響力顕微鏡でのバネ特性の評価、実験データの解析、
画像解析プログラム開発

・理化学研究所: 細胞実験とナノスプリング蛍光観察の実施、実験データの解析

論文情報

掲載誌: ACS Nano

DOI: 10.1021/acsnano.2c12545

URL: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12545

論文名: A programmable DNA origami nanospring that reports dynamics of single integrin motion, force magnitude and force orientation in living cells

著者: 松原瞳、福永裕樹、齊藤崇啓、池崎圭吾、岩城光宏

　なお、本研究の一部は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）革新的先端研究開発支援事業「メカノバイオロジー機構の解明による革新的医療機器及び医療技術の創出」の一環として、JP20gm5810022の助成、及び科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（CREST）「多細胞間での時空間的相互作用の理解を目指した定量的解析基盤の創出」の一環として、JPMJCR2023の助成を受けて行われました。