2017/03/15

ミクロ粒子を遠隔操作:最適な制御から見えてきた微生物の遊泳戦略

 

佐野 雅己(物理学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • 水中で直進と回転運動が可能なミクロンサイズの微粒子(自己駆動粒子)を作成し、2つの運動を切り替えることで目的の場所に移動させる方法を開発。さらに一般化し、微生物の走化性や走光性運動における最適なアルゴリズムを理論的に明らかにした。
  • 直進と回転を切り替えながら水中を泳いで目標に向かうミクロンサイズの人工粒子はこれまでに例がない。また、自己駆動粒子や微生物の遊泳行動は、サイズによって最適な行動戦略が異なることを明らかにした。
  • 将来的に、細胞への新しい刺激方法やドラッグデリバリー、人工細胞に向けた技術開発にもつながる可能性がある。

発表概要

東京大学大学院理学系研究科 佐野研究室のチームは(注1)、マイクロスケールの粒子を遠隔制御することで目的の場所へと移動させる方法を新しく開発しました。これらの粒子は、一度に大量に製作可能で、電場のエネルギーを利用し、水中で自ら動き(自己駆動粒子、(注2))、直進と回転の2種類の遊泳状態をとることができます。これまでの自己駆動粒子は、各々が独自に向きを持って運動するため、粒子の行き先を制御することは困難でした。また、粒子のサイズが小さくなればなるほど、周りの原子・分子との衝突によって運動が徐々に乱雑になるため、それが小さな物体の運動制御における課題として立ちはだかっていました。

本研究では、大腸菌などの微生物に見られる遊泳行動にヒントを得て、遠隔操作で2種類の遊泳状態を切り替えることで、粒子を目的の場所に輸送したり、任意の軌跡に沿って動かしたりすることに成功した。さらに、微生物のような小さな物体が、目標に向かって泳ぐための最適な戦略を理論的に明らかにしました。

最適な戦略は大きさによって異なり、ある程度大きな物体では、運動の向きを常に制御して目標に向かうことが最適であるのに対して、大腸菌程度の小さな物体(1ミクロン)では直観に反して、向きが目標とずれ過ぎた場合だけ方向転換するrun-and-tumbleと呼ばれる戦略が最適であることが分かりました。本研究は将来的に、人工細胞に向けた技術開発や細胞への新しい刺激方法、ドラッグデリバリーなどに役立つ可能性があります。

発表内容

近年、自発運動や集団運動を生み出す、生物を模したマイクロスケールの動き回る粒子(自己駆動粒子)の研究が盛んに行われています。自己駆動粒子は独自の向きを持ち勝手に運動するため、バクテリアの走化性(注3)のように目標に向かって動かすのは簡単なことではありません。また仮に、運動の向きを制御できたとしても、サイズが小さくなればなるほど、熱ゆらぎにより重心や向きがランダムに変化するブラウン運動(注4)の効果のため、常温での小さな物体の運動制御は人工物にせよ微生物にせよ、本質的な困難を伴っています。自己駆動粒子が目標に向かって移動するためには、特に、向きが徐々に乱雑化する回転拡散との戦いが大きな問題でした。

今回、本研究グループは、直径3ミクロンの球形粒子に簡単な加工を施し、水中で直進運動と回転運動の2種類の運動が可能なカイラルなヤヌス粒子(注5))を大量に作成しました(図1)。

図1:ヤヌス粒子(左)と鏡映対称性を破ったヤヌス粒子(右)

 

外部から電場を加えると、電気流体力学の効果により粒子は電場に垂直な面内でそれぞれ自由な向きに運動します。研究チームは、作成した粒子が直進と回転の2つの運動状態を取れることを利用して、粒子が目標に向いている場合には何も制御せずに直進運動させ、目標と方向が大きくずれた場合には電場の周波数を切り替え、回転運動を起こさせ、目標に向いた時点で再び直進運動にスイッチするアルゴリズムを開発しました(図2)。

図2:粒子の自己駆動運動(直進と回転の切り替え)

 

顕微鏡とカメラ、PCを用いてこのアルゴリズムをリアルタイムで実行することにより、自己駆動粒子を遠隔で操作し、目標に向けて輸送したり、任意の軌道に沿って移動させたりすることに成功しました(図3)。

図3:自己駆動の制御による(a)文字、(b)桜模様の描画のデモンストレーション

 

この方式は、バクテリアのrun-and-tumble(注6)と呼ばれる直線運動と方向転換を繰り返す遊泳行動にヒントを得ていますが、回転角度を制御する点では、緑藻のボルボックスなどが角度を制御する操舵メカニズムとも似ています。

研究チームはさらに、微小物体や微生物にとって、どのような遊泳戦略をとれば最短時間で目標に到達できるかを理論的に検討し、最適なアルゴリズムは、回転速度と回転拡散(信号とノイズ)の比で決まり、物体の大きさにより、最適な戦略が異なることを明らかにしました(図4)。

図4:理論的に得られた最適な戦略
   横軸:信号とノイズの比、縦軸:向きを転換する限界角度

 

例えば、ボルボックス(約500ミクロン)のように大きい物体では、運動の向きを常に目標に向けて制御しながら遊泳する操舵方式が最適ですが、大腸菌(約1ミクロン)程度まで小さくなると頻繁に向きを制御しても効果はなく、直進状態をできるだけ長く続けて、向きが目標から大きく外れた場合だけ、方向転換する方式(run-and-tumble)が最適であることが分かりました。研究チームが自己駆動粒子に関して適用したアルゴリズムは、ほぼこの最適な戦略の条件を満たしていますが、この研究で明らかになった最適な遊泳戦略は、実際に微生物がそのサイズに応じて取っている走化性や走光性の戦略とよく一致していることが明らかとなりました。

本研究は、微小な物体を制御するための基本原理を与えるだけでなく、将来的には、人工細胞に向けた技術開発や細胞への新しい刺激方法、ドラッグデリバリーなどに役立つ可能性があります。

 

発表雑誌

雑誌名 PNAS : Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
論文タイトル Optimal run-and-tumble based transportation of a Janus particle with active steering
著者 Tomoyuki Mano, *Jean-Baptiste Delfau, Junichiro Iwasawa, and *Masaki Sano
DOI番号 10.1073/pnas.1616013114
論文URL  http://www.pnas.org/content/early/2017/03/13/1616013114.abstract

 

用語解説

注1 研究チーム

真野 智之 プリンストン大学大学院2年生(当時、東京大学理学部物理学科4年生)
 4年次の実験コースでこの実験と解析を担当。
Jean-Baptiste Delfau スペインIFISC研究員(当時、日本学術振興会外国人特別研究員として佐野研究室に所属)
 一緒に実験を行うとともに、理論解析を担当。
岩澤 諄一郎 東京大学大学院理学系研究科修士1年生
 この実験を引き継いで実施。

注2 自己駆動粒子

運動方向が外場によってではなく、粒子の内部自由度によって決まるようなものを自己駆動粒子と呼ぶ。自己駆動粒子の代表例としてはヤヌス粒子があげられる。ヤヌス粒子は半面が白金や金などでコートされた非対称な球形粒子で、そのつくりに起因する化学反応や電気流体力学的な作用の非対称性による運動メカニズムによって自発運動が可能となる。粒子の運動の向きは、コートされた半球の向きで決まり、その向きは粒子ごとに自由な方向を選べるため、独自に向きを持って運動する。

注3 走化性

生物が特定の化学物質の濃度勾配に応じて方向性を持って動く現象を走化性と呼ぶ。光刺激に応じて動く走光性、磁場に応じて動く走磁性など、様々の外部刺激に反応して方向性のある運動をすることを一般に走性と呼ぶ。

注4 ブラウン運動

花粉のような小さな粒子が顕微鏡下でふるえるように不規則に動き回る現象。植物学者のロバート・ブラウンが発見し、その名がつけられた。1905年にアインシュタインが理論により、原子・分子が熱運動により激しく微粒子に衝突するため起こる現象であることを解明し、ペランが実験でその理論を検証した。これにより、ブラウン運動は物質が原子からできていることを示す証拠となった(1926年ノーベル物理学賞)。

注5 カイラルなヤヌス粒子

表と裏で性質が異なる粒子を前後2つの顔を持つローマ神話のヤヌス神に因んで、ヤヌス粒子と呼ぶ。簡単なものは球形の粒子の半球を金やチタンなどの金属でコートすることで実現できる。本研究では、ヤヌス粒子を大量に製作し、外部から電場を加えることで、電場に垂直な面内で自由な向きを持って運動させることに成功した。これらのヤヌス粒子は、単に半球だけがコートされているだけでなく、金属コートの境界面が鏡映対称性を破っている。鏡映対称性を持たない性質をカイラルまたはキラリティーと呼ぶ。本実験で用いた粒子は、その意味でカイラルなヤヌス粒子である。これらの粒子は、電場の周波数を変えることで粒子は直進運動か回転運動の2つの状態を取ることができる。

注6 バクテリアのrun-and-tumble運動

大腸菌などのバクテリアは、複数の鞭毛を回転させることにより水中を遊泳する。エサなどの誘引物質に向かって泳ぐ行動は走化性と呼ばれる。誘引物質の濃度が上昇する方向に運動している場合、鞭毛は反時計回りに回転し、その向きが鞭毛のらせんの向きと一致するため、鞭毛が束をつくり回転し、大腸菌は直進運動を続ける(run状態)。一方、誘引物質の濃度が下がる方向に運動している場合、鞭毛は時計回りに反転する。反転で鞭毛の束がばらけることにより、大腸菌の向きはランダムな方向に転回する(tumbling状態)。この2つの状態を切り替えることにより誘引物質に向かって遊泳することをrun-and-tumbleメカニズムと呼ぶ。

© 2017 Pearson Education, Inc. publishing as Pearson Benjamin Cummingsより引用

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―