世界最小のコイル状バネを設計し、細胞への“微小な力”の計測に成功

ナノスプリング開発の基礎となるDNAオリガミは、2006年にポール・ラザマンドによって提唱された技術です。DNAは、A,T,G,Cの4種類の核酸塩基が相補的に対を成し右巻きの二重らせん構造を取りますが、DNAオリガミでは、DNA二重らせんを束ねることで任意のナノ構造物が形成されます。7,000〜8,000塩基から成る長鎖1本鎖 DNA（スカフォールドDNA）に対して、100種類以上の短い（30〜50塩基）オリゴDNA（スカフォールドの相補配列を持つ）がスカフォールドDNAに結合し、折り畳んでいきます（図3(a)参照）。オリゴDNAがスカフォールドDNAを折り畳んで固定するホッチキスの役割を果たすことから、これらのオリゴDNAをステープルDNAと呼びます。当初は、2本鎖DNAが横並びになることで形成される平面的なシート構造の設計のみが可能でしたが、現在では、シートを更に折り畳み重ね、ステープルDNAで固定することで、3次元的なナノ構造物の設計も可能となり、立方体や直方体構造が報告されてきました。さらに、直線状のDNA二重らせんをただきれいに束ねるだけだと、平面構造とその折り畳み構造物にしかなりませんが、DNA構造を少しだけ歪ませるようにして束ねる設計をすることで、曲線から成る束を設計できる手法も報告され、ナノスプリングでは、この手法を応用して、3次元的なコイル構造形成に成功しました（図3(b)、(c)参照）。無機材料を用いてコイル形状のバネを作成する場合では、半導体の製造で用いられるリソグラフィのように、光や電子ビームを用いて材料をトップダウン的に加工することが必要であり、最小でも数百ナノメートルのコイル半径を持ちますが、ナノスプリングのコイル半径は20〜35ナノメートルであり、数十倍の微細化となります。また、コイル形状を採用することで、コイル半径、コイル線の太さ、巻き数の変更によって、バネの硬さ（バネ定数）のチューニングが容易となります。

設計したナノスプリングがナノサイズのバネとして機能することを確認するために、音響力顕微鏡を用いてナノスプリングを1本ずつ伸展・短縮させて、バネの長さと力の大きさを評価しました。まず、ナノスプリングの一端をガラス基板に固定して、他端をシリカビーズに連結しました。ピエゾ素子を用いて超音波を発生させると、シリカビーズに音響力が掛かるので、ナノスプリングの伸展が起こります（図4(a)参照）。シリカビーズの動きからナノスプリングの長さを計算すると、音響力の大きさに応じて700ナノメートル程度までの伸展が観察されました（図4(b)参照）。ナノスプリングの長さと力の大きさの関係から、今回、設計したバネは、50ピコニュートン程度まで緩やかに伸展する特性を持つことが分かり、また、溶液の条件を変えても、その特性はほとんど変化しないことも分かりました（図4(c)参照）。これにより、ナノスプリングがナノサイズのバネとして機能し、生体内の分子レベルで発生する“微小な力”のレンジであるピコニュートンオーダーで感度良く計測できることが実証されました。

インテグリンは、細胞が外部環境の“微小な力”を検知し細胞内部に伝達する重要な役割を果たします。細胞膜外に出ているインテグリンの一部は、アルギニン-グリシン-アスパラギン酸から成るRGD配列を認識し結合するので、ナノスプリングの片端にRGDペプチド（cRGDfK）を修飾し、もう片端には、ガラス基板の底に固定するためのビオチン修飾を施すことで、インテグリンとガラス基板とを連結することにしました。また、ナノスプリングの伸展を蛍光観察するために、蛍光色素ラベルを施しました（図5(a)、(b)参照）。

ガラス基板にナノスプリングを固定後、ヒトの皮膚組織由来の線維芽細胞を培養すると、インテグリンが集積している接着斑直下のナノスプリングが伸展しているのが観察されました（図5(b)参照）。画像解析によって、ナノスプリングの伸展長をナノメートル精度で計測し、力の変動を高感度に検出することができました。また同時に、力の向きの変動も計測することができました（図5(c)参照）。細胞が検知する力の大きさ、向き共に秒の時間スケールにて緩やかな力の上昇と降下を繰り返し（図5(d)参照）、また、細胞膜上のインテグリンも数十ナノメートル程度、前後に移動する（図5(e)参照）ことが確認できました。既存のイメージング技術である、ピラーアレイやトラクションフォース顕微鏡、もしくは、既存の分子サイズのフォースセンサのほとんどは、複数のインテグリン分子が検知する力学情報を足し合わせた結果しか計測できず、微小かつ動的な力学情報を得るのに限界がありましたが、1分子解像度での計測を実現したことで、ノイズレベルの“微小な力”（〜1ピコニュートン）も含めた動的な変動を容易に検出することが世界で初めて可能になりました。

細胞は、力学信号を内部で処理して、細胞の運動方向を制御し、遺伝子発現のパターンを変えるなど様々な細胞応答につなげています。力学信号には、信号の強度（力の大きさ）、向きだけでなく、周波数といった時間的な変動を伴う情報も含みますが、細胞がこれらの情報をどのように処理しているのか、まだほとんど分かっていません。しかも、細胞が情報処理に使えるエネルギーは、電気エネルギーが利用できる人工機械と異なりごくわずかであり、処理を行うタンパク質群が細胞内で動的に揺らいで集合・離散を繰り返しています。“微小な力学信号”の可視化と合わせて、細胞内部の情報処理の様子を分析することで、生物が持つ省エネな力学情報処理の仕組みを理解できると期待されます。