2021 Fiscal Year Annual Research Report

バイオ人工筋肉の制御分子パーツの開発とマイクロロボットへの実装

Research Project

Project/Area Number	21H01288
Research Institution	Japan Advanced Institute of Science and Technology
Principal Investigator	平塚祐一北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (10431818)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	新田高洋岐阜大学, 工学部, 准教授 (20402216)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	人工筋肉 / 生体分子モーター / モータータンパク質 / タンパク質工学
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、分子レベルから構築される光造形可能なバイオ人工筋肉に、新たに制御分子パーツを設計・導入することにより、印刷・外部操作可能なマイクロロボットを実現することである。最近我々は生体の分子モータを遺伝子工学的に改造することにより、光照射により水溶液中の特定の部位に人工筋肉を造形させることに成功した。この人工筋肉を利用して大きさ数ミリメートルの機械構造を駆動させることに成功しており、マイクロロボットの３次元光造形の可能性を開いた。しかし、これらのデバイスは光照射後の一回の収縮のみで実用化には遠かった。動力源である生体分子モータを光や電気といった人工的な信号で制御するのは困難であったため、制御系は未開拓だった。本研究では、生体分子モータの運動と光信号のインターフェースとなる分子パーツ群を遺伝子工学的に設計・構築することにより、光造形可能で且つ光操作可能な人工筋肉を構築し、生体分子で駆動するマイクロロボットの開発を本格化する。本年度は、人工筋肉の光制御をめざし構成分子、特に駆動分子であるキネシンを遺伝子工学的に改変した人工キネシンを多数作成し、それらの性質・機能を解析した。さらに、それらの知見を元に植物の光屈性に関与するタンパク質(光センサー部位：LOV2)と融合させた運動制御可能な人工キネシンの作成および解析に取り組み、最適化を行った。また、顕微鏡下で光制御するための光照射システムの開発もハード、ソフト両面で行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は人工筋肉を可逆的に制御するためにモータータンパク質の一種キネシンを遺伝子工学的に改変し光信号による運動活性を制御できる人工キネシンおよびその制御装置の開発に取り組んだ。・運動制御部位を改造したキネシン光制御分子パーツ天然のキネシンはその分子内に自己を制御する部位を持っている。この部位は生体内の複雑な生化学的な反応により制御されている。本研究ではこの部位に植物の光屈性（光に向かって成長する性質）に関与するタンパク質Phototropinの光制御部位LOVJαを挿入したキネシン光制御分子パーツの開発に取り組んだ。予備的な実験で既にこの分子パーツを構築し、光照射によりキネシンの運動を停止させることに成功している。しかし残念なことに、光ＯＦＦ状態にしても制御状態が解除されず不可逆反応であることや、キネシンに対する結合力が弱く運動阻害には高濃度の分子を加える必要があった。そこで本研究ではLOVJαや運動制御部位を最適化など行った。・制御装置の開発顕微鏡下で人工筋肉の運動活性を光により制御するために、光の形状を自由に変えられ人工筋肉の必要な箇所に光照射可能な投影装置を開発した。本年度の予算で購入した反射型液晶デバイスおよび及び制御用のソフトウェアを開発し、これまでの顕微鏡システムに導入した。
Strategy for Future Research Activity	・バイオ人工筋肉で可逆的に駆動するマイクロデバイスのデモンストレーション光制御の最適化を更にすすめ光照射時に人工筋肉が弛緩する分子システムを実現する。収縮・弛緩が可能になった後、シリコーンゴムの一種PDMSで構築した微小構造上にこの光制御可能な人工筋肉を形成させ、その後、光信号により可逆的に動くマイクロデバイスのデモンストレーションを行う。・ミオシン・アクチン系モータータンパク質を利用した人工筋肉の開発これまでモータータンパク質としてキネシン・微小管を利用して人工筋肉を構築してきた。ミオシン・アクチン系の方が収縮力が強い可能性があるため、ミオシンを遺伝子工学的に改変してUV照射によりミオシンフィラメントが形成、人工筋肉が自発的に形成する分子システムを構築する。組み換え遺伝子ミオシンの作成には細胞性粘菌の発現系を利用する。