生きている細胞が持つ、物質の取り込み、処理、排出能力を模倣した人工細胞を作成

生きている細胞が持つ、物質の取り込み、処理、排出能力を模倣した人工細胞を作成 テクノロジー

研究者らは、無機物を用いて、物質を自律的に取り込み、処理し、排出する人工細胞のような構造体を開発しました。

Nature誌に掲載されたこの論文は、ドラッグデリバリー(送薬)から環境科学まで幅広い分野への応用が期待される「細胞の模倣物」を作るための青写真を示しています。

生きている細胞の基本的な機能は、環境からエネルギーを得て、分子を細胞内に出し入れすることです。エネルギーを利用して分子を低濃度の場所から高濃度の場所に移動させることを「能動輸送」といいます。能動的輸送により、細胞はグルコースやアミノ酸などの必要な分子を取り込み、エネルギーを蓄え、廃棄物を排出することができます。

何十年もの間、研究者たちは、生物の細胞の特徴や行動を模倣した微細な構造を持つ人工細胞を作ることに取り組んできました。しかし、これらの人工細胞は、活発な輸送のような複雑な細胞プロセスを実行する能力を持たないことが多いのです。

生体細胞の重要な機能を模倣した合成微小構造体

今回、ニューヨーク大学とシカゴ大学の研究者らが発表したNature誌の論文では、生きた細胞の機能を再現することに一歩近づいた、完全に合成された新しい細胞模倣体が紹介されています。この人工細胞は、異なる粒子の混合物中に配置されると、微小な貨物を自律的に捕獲、濃縮、貯蔵、運搬することで、能動的な輸送タスクを実行することができます。この人工細胞は、最小限の材料で作られており、生物学から材料を借りることはありません。

研究チームは、この人工細胞を設計するために、ポリマーを使って赤血球ほどの大きさの球状の膜を作った。この膜は、細胞内の物質の出入りを制御する細胞膜の代用品である。そして、この球状の膜に微細な穴を開け、細胞のタンパク質チャネルを模倣して、物質を交換するためのナノチャネルを作りました。

しかし、能動的な輸送に必要な作業を行うためには、細胞のような構造体を動かして物質を吸い込んだり吐き出したりする仕組みが必要でした。生きている細胞では、ミトコンドリアとATP1筋肉の収縮など生命活動で利用されるエネルギーの貯蔵・利用にかかわる。 「生体のエネルギー通貨」と呼ばれる。 アデノシン三リン酸(ATP)は、アデノシンという物質に3つのリン酸基(P)が結合しています。が能動輸送に必要なエネルギーを供給しています。研究チームは、細胞を模倣したナノチャネルの内部に、化学的に反応する成分を加えました。この成分は、光によって活性化されると、ポンプとして機能します。光がポンプに当たると、化学反応が起こり、ポンプが小さな真空状態になり、貨物が膜内に引き込まれる。ポンプがオフになると、貨物は擬態した細胞内に閉じ込められ、処理されます。また、化学反応を逆転させると、必要に応じて貨物が押し出されます。

Artificial Cell Mimics

ニューヨーク大学の化学准教授で本研究の筆頭著者であるステファノ・サカンナ氏は、「今回の設計コンセプトにより、この人工的な細胞模倣体が自律的に動作し、これまで生きた細胞の領域に限られていた能動的な輸送タスクを実行することが可能になりました。この細胞のような構造体の設計の核心は、内部から動力を与える活性要素と、細胞壁によって課される物理的制約との相乗効果であり、これによって異物を摂取し、処理し、排出することができるのです」と述べています。

研究者たちは、この細胞模倣体をさまざまな環境で実験しました。ある実験では、細胞模倣体を水中に浮遊させ、光で活性化させたところ、周囲の水から粒子や不純物を摂取する様子が観察されました。

「細胞模倣体は、ビデオゲームの『PAC-MAN』のようなもので、汚染物質を食べて環境から取り除くことができるのです。」とサカンナ氏は語ります。

Artificial Cell Mimics "eating" e.coli bacteria

別の実験では、細胞模倣体が大腸菌を飲み込んで膜の中に閉じ込めることを実証し、体内の細菌に対抗する新たな方法を提供できる可能性があります。また、この細胞模倣体は、活性化するとあらかじめ入れておいた物質を放出することができるので、将来的にはドラッグデリバリーに応用できるかもしれません。

研究者たちは、さまざまな機能を持つ細胞模倣体の開発や研究を続けており、異なる種類の細胞模倣体が互いにどのようにコミュニケーションしているかについても研究しています。

本研究の著者は、サカンナ氏のほか、ニューヨーク大学化学部門のZhe Xu氏、セオドア・フッケル氏、シカゴ大学のウィリアム・T.M・アーバイン氏です。本研究は、米国陸軍研究局(賞番号W911NF2010117)の支援を受けて行われました。

Source:New York University, DOI: 10.1038/s41586-021-03774-y

コメント

タイトルとURLをコピーしました