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化学反応をコンピュータ制御できる、人工細胞型の微小反応容器 ([MON...

2016/10/31 IT media

化学反応をコンピュータ制御できる、人工細胞型の微小反応容器 ([MONOist])

 東京工業大学は2016年1月21日、熱平衡状態(物質やエネルギーの出入りがなく、変化が起こっていない状態)から大きく離れた系の化学反応をコンピュータ制御できる「人工細胞型微小リアクター」の開発に成功したと発表した。同大学大学院総合理工学研究科の瀧ノ上正浩准教授らによるもので、成果は同月20日に英科学誌「Nature Communications」のオンライン版で公開された。

 細胞は、分子の自己組織化や自発的な分子反応によって機能を発揮する超精密で超高機能なシステムだ。熱平衡状態から大きく離れて、化学物質の供給や排出を伴う化学反応(非平衡化学反応)に基づいている。しかし、細胞のように微小なスケールでこのような化学反応を制御することは難しく、制御するための新しい理論や技術の開発が望まれていた。

 一方で、近年、マイクロ流路技術とよばれる非常に微小な液体を操作する技術でリアクターを構築し、このような化学反応を制御する試みが世界的に注目されるようになってきた。しかし、外部から任意のタイミングで任意のコントロールを加えることや、反応状態の情報を基にフィードバックして制御することなど、非平衡化学反応を精密かつ動的に制御することは困難だった。

 今回、同研究グループは、細胞が膜小胞によって化学物質を取り込んだり排出したりする現象(エンドサイトーシス・エキソサイトーシス)に着目して制御理論を構築し、マイクロ流路技術を利用して、人工細胞型微小リアクターを開発した。これにより、細胞のように、微小な水滴を電気的に融合させたり分裂させたりして、微小水滴の内外への反応基質の供給と反応産物の排出を精密にコンピュータ制御することができた。

 さらに、このリアクターを利用して、非平衡化学反応において最も特徴的な反応の1つであるリズム反応(化学物質濃度が増減して規則的なリズムを刻む反応)を自在に制御することに成功した。リズム反応は、代謝回路や体内時計など、生命システムのさまざまな場面に見られる重要な反応で、これを制御できたことは細胞内の生化学的な反応を含む、他の非平衡反応にも応用できることを示唆しているという。

 同成果により、複雑な化学反応を人工細胞型微小リアクターで制御できるようになるため、将来は細胞を模倣した高機能な分子コンピュータや分子ロボットの開発、細胞状態のコンピュータ制御に基づくモデル駆動型の生命科学・医薬研究分野への応用などが期待されるとしている。

(a)人工細胞型微小リアクターの概念図。(b)人工細胞型微小リアクターと化学物質輸送用の微小水滴の融合分裂の様子。(c)人工細胞型微小リアクター内で化学反応が起こり、溶液内のpHの増減(水素イオンの増減)が観察された(リズム反応)。(d)水素イオン濃度の増減をpHの相対値で表示してグラフ化した。


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