私たちは、生命システムを「動的な秩序」として理解することを目指しています。細胞内でタンパク質が繰り広げる運動や力の発生、単一繊毛の自律運動や細胞の螺旋遊泳などの現象を、ナノスケールイメージングと力学解析により明らかにします。さらに、細胞骨格・モータータンパク質を用いた自己組織化系の構築や、人工細胞プロトタイプの創製にも挑戦し、生命に固有の設計原理を実験的に解明します。こうして、分子レベルの運動から細胞レベルの秩序までを統合的に理解することにより、「生命とは何か」という根源的な問いに実体を与えることを目指しています。
私たちの体を構成する細胞の内部では、約10ナノメートルほどのタンパク質分子が「バイオナノマシン」として働いています。代表例が、微小管上に沿った細胞内物質輸送や染色体分配などを担うモータータンパク質、キネシン や ダイニン です。
これらの分子の働きは、しばしばコンピュータグラフィックスによって可視化され、整然とした機械のような動きとして描かれます。そのため、一見すると人間が作る精密機械のような運動をしているように感じられます。しかし実際の分子の世界は、そのような単純で滑らかな運動とは大きく異なります。分子は水分子に囲まれた環境の中で、絶えず不規則な熱ゆらぎにさらされながら運動しています。
私たちが暮らす世界の機械では、不規則な熱ゆらぎは正確な動作を妨げるノイズになります。一方、分子スケールの世界ではこの熱ゆらぎは避けられない環境であり、むしろそれを利用して運動が生み出されているようにおもえてなりません。すなわち、バイオナノマシンの動作原理は人間が作る人工機械とは本質的に異なります。
柔らかいタンパク質からなるバイオナノマシンは、このランダムな熱ゆらぎを一方向の運動へと利用する整流機構をそなえ、微小管上を移動しているようです。このとき重要な役割を果たしているのが、ラチェットのような一方向性を実現する機構と考えられます。ある方向に生じたゆらぎは運動として利用されますが、逆方向への動きは抑えられるため、結果として分子は一方向に進みます。
キネシンの運動機構については、これまで ネックリンカードッキングモデル が広く受け入れられてきました。このモデルでは、モータードメインの末端にあるネックリンカーと呼ばれる短い領域が大きく構造変化することで一方向への力が発生すると考えられています。これは、人間が足首を曲げることで前に進む動きにも少し似ており、直感的に理解しやすいモデルです。
しかし私たちは、この説明だけでキネシンの運動を本当に理解したと言えるのだろうか、という疑問を持ちました。 この仮説を厳密に検証するためには、ネックリンカーの運動への寄与を独立に調べる実験系が必要でした。また、キネシン研究の多くは双頭型（ダイマー）モーターを対象としており、運動する最小構成単位である単頭型（モノマー）モーターがどのように動くのかは十分に理解されていません。バイオナノマシンの運動原理を本質的に理解するためには、この最小単位の振る舞いを直接調べる必要があると私たちは考えました。
そこで私たちは、キネシンの単一モータードメイン（モノマー）の運動を解析する新しい実験手法を開発しました。モータードメインの任意の部位に短いDNA分子やPEG分子を結合させ、それらを基板に固定することで、分子の運動支点を自在に設定する技術です。この手法により、従来の実験では困難だった条件でもキネシンの運動を計測できるようになり、キネシンモノマーがどのように力を生み出すのかをより直接的に検証できるようになりました。
この研究を進める中で、キネシンモノマーの運動は、（おそらく）熱ゆらぎを利用した確率的な過程によって実現されている可能性が見えてきました。また、運動”方向”の決定機構について、従来のネックリンカードッキングモデルだけでは説明できない現象が存在することがわかりつつあります。 こうした事実は、バイオナノマシンの運動の基本原理について、まだ多くの未知（例えば、ATP加水分解の意義や運動方向の決定機構といったことすら）が残されていることを示しています。現在私たちは、運動方向がどのように決まるのかという根本的な問題に迫るため、新しい実験手法の開発と定量解析を進めています。
バイオナノマシンの運動原理を理解するためには、ナノメートルスケールの分子の運動を三次元空間で直接観測することが重要です。しかし実際には、多くの研究が三次元でおきている分子運動を二次元平面への投影として解析せざるを得ず、特にモータータンパク質の高速な三次元運動を直接捉えることは容易ではありません。
そこで私たちは、キネシン分子に金ナノロッドを結合させ、偏光測定により分子の微細な回転運動を高感度に検出する手法を用いました。さらに、シリンドリカルレンズを用いた三次元位置検出光学系を組み合わせることで、ナノメートル精度で分子の位置変化を定量化しています。これにより、分子の回転情報（偏光）と三次元位置情報を同時に取得することが可能になりました。この解析から、キネシンチームが微小管上を移動する際、単純な前進運動だけでなく、微小管の長軸に対して横方向成分を伴う三次元的な運動（螺旋運動や自転運動）を行うことが明らかになりました。特に、自転運動の検出は私たちにとっても予想外の発見であり、従来の合理的な運動モデルでは十分に説明できない挙動です。重力や慣性がほとんど働かない微小スケールの世界では、私たちが直感的に想像する以上に、バイオナノマシンが多くの自由度をもって運動しているのかもしれません。こうした三次元運動の解析は、バイオナノマシンの基本原理や運動方向がどのように決定されるのかという問題に、新しい視点を与えると私たちは考えています。
バイオナノマシンの運動を観察するだけでは、それらが実際にどの程度の力を発生しているのかを直接知ることはできません。
そこで私たちは、光ピンセット（optical tweezers）を用いた1分子力学計測を行っています。 光ピンセットは、レーザー光の圧力を利用して微小粒子を捕捉する技術で、ピコニュートン（10⁻¹² N） という非常に小さな力を定量することができます。この方法により、キネシン1分子が発生する力や、外部から負荷が加わったときの運動特性を解析することが可能になります。さらに私たちは、複数の分子モーターが同時に働く実験系を構築し、分子集団がどのように協調して力を生み出すのかという問題にも取り組んでいます。細胞内物質輸送では多くの分子モーターが同時に働くと考えられており、その協調的な力発生メカニズムを理解することは、分子レベルの力がどのように細胞機能へとつながるのかを理解する上で重要と考えているからです。
分子の運動から生命の秩序を理解する。
私たちは、次のような基本的な問いに取り組んでいます。
バイオナノマシンがどのようにエネルギーを一方向運動へと変換するのか
どのように力学的仕事を生み出すのか
複数の分子が集団として働くとき、どのように秩序ある運動がうまれるのか
単一分子の運動計測から、分子集団の力学的協調までを統合的に解析することで、生命システムに特有の設計原理を分子レベルから理解することを目指しています。
生物の世界には、水中を自在に泳ぐ微小生物が数多く存在します。その代表例が繊毛虫です。繊毛虫は体表に並ぶ多数の繊毛を周期的に動かすことで、流体中を効率よく遊泳します。これまで100年以上にわたり繊毛運動の研究は行われてきましたが、繊毛がどのように周期的屈曲運動を生み、細胞全体を遊泳させ、また、どうやって環境に応答するかについては、依然として統合的理解に至っていません。
繊毛内部には「軸糸（axoneme）」と呼ばれる9＋2微小管構造が存在します。これは周辺の9本の二連微小管と中央の中心対微小管から成る高度に保存された構造であり、ダイニンが二連微小管間の相対滑りを生み出すことで繊毛運動が駆動される、と教科書には記されています。しかし、この滑り運動がどのようにして周期的な屈曲運動へと変換されるのか、またその運動がどのように制御されているのかについては、依然として十分に理解されていません。軸糸構造は一見対称的に見えますが、実際には多くの構成要素が構造的に非対称に配置されており、この非対称性が繊毛運動の方向性や制御に重要な役割を果たしていると考えられています。特に中心対微小管はC1微小管領域とC2微小管領域からなる非対称構造を持ち、近年の研究によりキネシン分子がC2微小管側に特異的に局在することが報告されています。しかし、このキネシンが軸糸内でどのような役割を担い、繊毛運動の制御にどのように関与しているのかはほとんど明らかになっていません。
私たちは、軸糸内部における分子間相互作用から単一繊毛の三次元運動までを統合的に解析することで、分子モーターによる力発生がどのようにして繊毛の屈曲運動を生み出すのかを解き明かそうとしています。その一環として、C2微小管に局在する軸糸キネシンや、テトラヒメナ繊毛から精製した軸糸ダイニンの運動性を単一分子レベルで定量し、分子モーターの力発生機構を直接解析しています。さらに、遺伝子組換え技術を用いて、繊毛内に存在する構成タンパク質のノックアウト変異体テトラヒメナを作製し、分子構成の変化が単一繊毛の三次元運動や細胞全体の三次元遊泳にどのような影響を与えるのかを実験的に検証しています。このように、生命システムを操作して理解するリバースバイオエンジニアリング的アプローチにより、軸糸の構造非対称性と分子モーターの相互作用がどのように秩序ある繊毛運動を生み出すのか、その設計原理の解明を目指しています。
繊毛運動は高速かつ周期的であり、その力学原理を理解するには数十ナノメートル精度での三次元計測が不可欠です。私たちは独自に開発をすすめる楔形プリズムを用いた三次元位置光学顕微技術により、単一繊毛の三次元運動軌跡、複数繊毛の協調運動、さらには細胞全体の遊泳運動までを同一の計測基盤で解析することにチャレンジしています。この解析により、繊毛先端の運動は単純な往復運動ではなく、円弧状の高速ストロークと直線状の定速ストロークから構成される非対称な周期運動であることを明らかにしてきました。この運動は三次元空間においてホモキラルな回転を伴い、流体中で効率的に推進力を生み出す仕組みを反映していることが推測されます。
さらに、細胞個体の遊泳運動を三次元的に計測することで、繊毛虫が示す螺旋状の遊泳運動を定量的に解析しています。微生物が生きる低レイノルズ数環境では、慣性の影響をほとんど受けず、螺旋運動は効率的な移動様式の一つであると考えらます。しかし、個々の繊毛の運動やその協調がどのように統合され、このような三次元的な螺旋軌道として現れるのかについては、いまだ十分には理解されていません。 私たちの三次元運動計測を通じて、遊泳軌道の幾何学的特徴や推進効率を定量的に評価することが可能になりました。単一繊毛の運動から細胞全体の遊泳までを統合的に解析することで、分子モーターによる局所的な力発生がどのように細胞レベルの運動パターンへと変換されるのか、一貫した力学原理に基づいて理解することを目指しています。
繊毛虫は、カルシウム濃度の変化や外部物理刺激に応答して遊泳方向を変化させます。例えば、刺激に応答して一時的に逆行運動することも知られています。単一繊毛の三次元運動計測と細胞内カルシウム動態の同時観測を通じて、環境刺激がどのように繊毛運動に反映され、細胞の遊泳方向を変化させるのかを理解することが可能です。このように、繊毛運動が単なる推進手段ではなく、外部環境を感知して行動を変化させる細胞レベルの環境応答システムとして機能する仕組みを解明を目指しています。
繊毛運動は微生物の遊泳だけでなく、多細胞生物においても重要な役割を担っています。ヒトを含む多くの真核生物では、繊毛は気道上皮や脳室上皮などに存在し、体液輸送や環境応答に関わる重要な細胞小器官です。また、胚発生過程においては繊毛運動によって流れが生じ、臓器の左右非対称性（左右軸）の決定にも重要な役割を果たすことが知られています。繊毛構造や運動機構に異常が生じると、慢性気道感染、不妊、内臓逆位などを引き起こす繊毛病（ciliopathy）と呼ばれる疾患群の原因となります。しかし、これらの疾患がどのような分子機構によって引き起こされるのかについては、繊毛運動の力学的理解が不十分であるため、いまだ多くの課題が残されています。
私たちは、分子モーターによる力発生 → 単一繊毛の周期運動 → 複数繊毛の協調運動 → 細胞全体の遊泳 → 個体の環境応答に至る階層的な運動原理を三次元計測などの独自技術によって明らかにすることで、繊毛機能の統合的理解を目指しています。こうした基礎研究は、繊毛病の分子基盤の理解だけでなく、真核生物がどのようにして高度な細胞運動システムを進化させてきたのかという、生命進化の理解にもつながると期待しています。 現状ではモデルの提案までには至っておらず、チャレンジングな研究課題です。
私たちは、生命システムにおける「運動と形態形成の原理」を理解する新しいアプローチとして、高分子を機能素子とし、自律的な動きや形態変化を生み出す人工細胞プロトタイプの創製に取り組んでいます。従来の生命科学は既存の細胞を観察・解析する研究が中心でしたが、私たちは、生体高分子部品を組み合わせて細胞様システムを構築するフォワードバイオエンジニアリングおよびボトムアップ合成生物学の考え方を取り入れています。このアプローチにより、分子モーターによる力発生や細胞骨格の自己集合が、エネルギーの消費によって自己組織化的に高次構造体となり、どのように細胞スケールの運動や形態形成へと発展するのかを、構築・計測・検証のサイクルを通じて統合的に理解することを目指しています。
細胞内部では、分子モーターや細胞骨格の運動が膜に囲まれた限られた空間の中で協調的に働いています。私たちは、この環境を人工的に再現するため、ドロップレットやリポソームといった細胞サイズの閉鎖微小空間を利用しています。 ドロップレット内部にアクチン・ミオシン系を封入することで、微小空間内での細胞骨格の滑り運動を人工的に再構成しました。この系では、分子モーターの局所的な力発生がどのように空間的に秩序化され、集団としての運動へと発展するのかを直接観察することができます。 これにより、分子レベルの運動が自発的な細胞様ダイナミクスへと発展する原理を実験的に検証することが可能になります。
さらに私たちは、微小管系を利用した人工細胞の形態形成にも取り組んでいます。リポソーム内部にチューブリンを封入し、MAPs等を加えて加温することで微小管が重合させ、リポソーム内部膜を押し出すようにして突起構造を形成させます。興味深いことに、この系では単一の突起だけでなく、複数の突起が自発的に形成される人工細胞構造が観察されつつあります。これは、微小管ネットワークの自己組織化が膜形態の多様化を引き起こす可能性を示唆しています。こうした複数突起構造は、生物に見られる突起（例えば神経突起や免疫細胞の樹状突起） の形成過程の理解につながるだけではなく、将来的には、分子ロボティクスにおけるアクチュエーターや、樹状細胞を模したドラッグデリバリーシステムなどへの応用も期待されます。
人工細胞研究では、再現性の高い閉鎖微小空間を大量に作製することが重要になります。私たちは、遠心沈降法によるリポソーム作製に加えて、マイクロ流体デバイスを用いた人工細胞作製技術を積極的に導入しています。 この方法により、均一サイズのリポソームを高スループットで生成でき、分子組成や物理条件を体系的に変化させながら、運動や形態形成の条件依存性を高精度で解析することができます。
本研究の特徴は、生命システムを単に観察するのではなく、分子から人工細胞へと段階的に構築して検証する点にあります。このボトムアップ的アプローチでは、
分子部品を組み合わせてシステムを構築する
自発的に現れる運動や構造を観測する
条件を変えて設計原理を検証する
というプロセスを通じて、生命システムの設計原理を実験的に明らかにすることができます。このようなフォワードバイオエンジニアリングの試みは、既存の生命現象を解析する従来の研究とは異なり、生命システムの機能を構成論的に理解する新しい研究方法として注目されています。
人工細胞プロトタイプの創製により、分子モーターによる力発生や細胞骨格の自己組織化が、閉鎖微小空間の中でどのように協調して運動や形態形成を生み出すのかを人工的に再現しながら理解することが可能になります。人工細胞のプロトタイプ創製は、生命システムの設計原理の理解に直結するとともに、バイオロボティクス、ドラッグデリバリー、ナノ工学などへの応用も期待される新しい研究領域です。
分子モーターは細胞内輸送や細胞運動を担う基本的なバイオナノマシンですが、その運動は単純な並進運動にとどまらず、しばしばキラル（左右非対称）な運動を伴うことが知られています。例えば、in vitro gliding assay 系では、ガラス表面に固定したキネシン、ダイニン、ミオシンなどの分子モーターが微小管やアクチンフィラメントを並進運動させると同時に、フィラメントが長軸周りに回転するコークスクリュー（corkscrew）運動が観測されます。また、微小管を空間中に固定し、その表面上をモータータンパク質が移動できる実験系では、モーター自身が微小管表面を螺旋軌道に沿って進むことも報告されています。このような観測結果は、分子モーターの運動が一次元的な並進運動ではなく、回転運動や横方向移動を伴う三次元的な運動であることを示しています。しかしこれまでの研究では、分子モーターの運動は主として細胞骨格に沿った並進方向のステップに焦点を当てて理解されてきました。そのため、モータータンパク質が本質的に持つキラルな運動やトルク発生の性質については、まだ十分に理解されているとは言えません。
私たちは、楔形プリズムを用いたナノメートル精度の三次元位置計測光学顕微技術を用いて、キネシン、ダイニン、ミオシンが駆動する細胞骨格フィラメントのコークスクリュー運動や、分子モーター自身の横方向ステップ運動を定量的に解析してきました。本手法では光軸方向（z方向）を含む三次元位置をナノメートル精度で測定できるため、フィラメントに沿った並進運動だけでなく、その周囲で生じる回転運動や螺旋軌道を高精度に追跡することが可能です。当研究室では、これら三種類の主要な分子モーター—キネシン、ダイニン、ミオシン—によって駆動される回転運動を共通の計測基盤で体系的に解析しています。キネシンやダイニンについては、従来主に二量体モーターの並進運動が研究されてきましたが、私たちは運動の最小構成要素である単量体が示す三次元的な運動特性にも着目して研究を進めており、世界的にもほとんど例がありません。こうした三次元運動計測を通じて、私たちはモータータンパク質と細胞骨格の相互作用からどのように並進力とトルクが同時に生み出されるのかを定量的に明らかにすることを目指しています。
分子モーターが並進力だけでなくトルクを生み出すこと、そしてそのキラルな力発生が細胞骨格系の三次元構造や運動に影響している可能性が見えてきます。実際、細胞レベルにおいても回転やねじれを伴う構造や運動は、複数の研究室から報告されています。例えば、紡錘体の微小管束にはねじれ構造が存在することが報告されており、これは分裂期キネシンなどのモータータンパク質による力発生と関係している可能性が示唆されています。また、繊毛や鞭毛の周期的な屈曲運動は軸糸内部の軸糸ダイニンによって駆動されており、そこでも方向性をもった回転運動や左右非対称性が現れます。さらに、アクトミオシン系によって駆動される細胞突起においても、ねじれや回転が観察されています。
分子スケールのキラルな運動が、どのようにして細胞や組織レベルの回転運動や左右非対称性へとつながるのかは、生命科学における基本的な未解決問題の一つです。生命システムに広く見られるホモキラリティや左右非対称性の起源を、“運動”の観点から理解することが本研究の目的です。
