生体分子モータで駆動する自律振動型人工筋肉の光造形とマイクロロボットの開発

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01407
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 新田 高洋 岐阜大学, 工学部, 准教授 (20402216)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 人工筋肉

研究実績の概要

本研究の目的は、光造形可能な自律振動系を持った人工筋肉を開発することにより、従来不可能であった自律遊泳するマイクロロボットの光造形を実現することである。最近我々は生体の運動タンパク質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にはほど遠い。生体分子モーターには、従来の人工アクチュエータと異なる様々な特徴があるが、その一つに自律振動が挙げられる。微生物の鞭毛や昆虫の飛翔筋等の振動運動は、外的な振動信号により制御されているのではなく筋肉や鞭毛の構造の力学応答により自律的に振動現象を生み出されている。本研究提案ではこれまで我々が開発してきた人工筋肉の光造形法に鞭毛の振動機構を取り入れた自律振動する人工筋肉の開発を目指した。
Ｈ２９年度はクラミドモナスから鞭毛の入手を試みた。培養したクラミドモナスにジブカインを添加し、鞭毛の脱毛を行った。脱毛後遠心分離により鞭毛を粗精製し、界面活性化剤の添加により鞭毛周辺の脂質二重膜を脱膜し、電気泳動法などの生化学的手法により確認した。得られた鞭毛は収縮実験を行うにはまだ十分量が無いことが判明し、培養等を今後工夫する必要があることが分かった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

クラミドモナスやゾウリムシの鞭毛・繊毛は、２対の中心微小管の周りにダブレット微小管と呼ばれる微小管が９本配置された精密な構造をとっており、ダブレット微小管間に局在するダイニン（モータータンパク質）が微小管をスライドさせることにより鞭毛の屈曲運動を作り出している。このダイニンは収縮後ある力学的限界に達すると一斉に微小管からはずれ弛緩が起こり、それを繰り返すことで数十ヘルツの振動現象が生み出されていると考えられている。これまで我々は遺伝子工学的に改造したキネシンより、光照射をトリガーとして微小管を自己集積的に繊維状に束ね、収縮する人工筋肉の形成に成功している。そこで本研究では同じ原理をもちいて微小管の代わりに鞭毛の束状組織をつくる。鞭毛を筋肉繊維のように束ねた研究例はこれまで報告されていない。鞭毛の振動機構から推測すると束化し筋肉のように組織化しても鞭毛単体と同様に振動運動をすると予想される。そこでＨ２９年度は培養の容易なクラミドモナスから鞭毛精製を行い脱膜した鞭毛の粗精製成分を得ることができた。しかし、精製量は期待してた量に達せず、鞭毛の調達方法を今後工夫する必要があることが分かった。

今後の研究の推進方策

Ｈ２９年度では、クラミドモナスから鞭毛を精製した。しかし人工筋肉発生の実験を試行するには十分な鞭毛の精製量に至らず、クラミドモナスの培養・鞭毛の抽出方法を抜本的に改良する必要があることが判明した。そこで今後、下記のような対策を計画している［鞭毛脱毛の自動化］クラミドモナスの鞭毛は脱毛後、数時間で再生することが分かっている。そこで脱毛・再生を繰り返し鞭毛を大量調製できる自動化装置を開発する。鞭毛の脱毛には一般的にジブカインを用いるが、再生の為にジブカインを取り除くことが困難な可能性がある。低いｐＨでもジブカインと同様に脱毛させることができることが知られている。そこで、1. 低ｐＨ、2. 脱毛、3. 鞭毛の分離、4. 中和、5. 鞭毛の再生、を自動で繰り返し行える装置を開発し、短期間での鞭毛の大量入手を試みる。