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理研、ミミズ利用のバルブ(弁)開発に成功…人体内の異常察知など、医療の発展に

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理研生命機能科学研究センターの田中陽チームリーダー

 日々さまざまな研究成果を発信している理化学研究所。スーパーコンピュータ「京」から「富岳」への世代交代が話題を呼ぶなか、今回取り上げるのは現代の科学では再現の難しい、生物の機能を機械に取り入れたバイオ・マイクロナノデバイスの研究。生物はそれ自身が神秘ともいえる超ハイテクな機能を有している。生物の機能をどのようなかたちで取り入れたのか、理研生命機能科学研究センターの田中陽チームリーダーに話を聞いた。

 子供の頃から工作や発明が大好きだったという田中チームリーダー。これまでにもユニークな研究が多いが、今回は2019年になされた、身近にいるフトミミズを利用した弁(バルブ)の開発を紹介する。

 生物機能と人工物の融合デバイスの例としては、原始的な発明品である「馬車」がある。馬から馬車を経て自動車が発明されたが、自動車ではエンジンを馬の代替として使用したと考えることができ、馬車は自動車のモデルになったといえる。材料は自然に還元されるという点でも、生物を材料とする機械は理想的だ。

 チームでは基礎研究としてミミズの筋肉の収縮を利用し、細胞や生体組織の機能を搭載したデバイスを開発することを目的として、ミミズの筋肉の1cm×2cmほどのバルブ機能を備えた装置を作成した。半導体製造技術(微細加工技術)を用いて、基板での化学操作や分析をするためのマイクロ流体チップに流路をつくり、そこに流れる水をバルブで完全に止める仕組みだ。

 何より特筆すべき点は、動力源や刺激に電気を使わない点である。

 代わりの動力源として人体に存在する化学エネルギーであるATP(アデノシン三リン酸)を用いる。刺激方法としては、アセチルコリンという神経線維の末端から放出され、他の神経細胞や筋肉細胞に神経信号を伝える役割を担っている物質を利用することとした。

 ミミズの体表は主に筋肉からできており、今回の実験に適していたため、日本で一般的に見られる「フトミミズ」を輪切りにして、シート状に広げて使用した。そのシートに対してピペットを使いアセチルコリンの溶液をかけることにより筋肉の収縮がおき、収縮によって押された装置のバルブが作動し、水の流れを止めることに成功した。なお、チームは2016年に今回の研究の前段階として、電気刺激を使いミミズの筋肉を使うポンプの作成に成功している。

駆動源にも刺激にも電気を用いない

――ミミズを使ったポンプとバルブの違いはなんですか。

田中陽チームリーダー(以下、田中) 前研究になる実験を2016年に発表しました。それは電気刺激を使ったポンプです。ポンプで一番身近な例は心臓ですね。水を圧で送り出すものです。弁は水道のように圧力のかかった液体の流れを完全に止める仕組みのものです。ポンプよりはバルブのほうが、完全に流路を閉じきる構造をつくらなければならないため、装置そのものに工夫が必要でしたね。

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