材料化学：光学的に定義された境界を通したアクティブマターにおける組織化と力の制御

生体系には、移動運動能力、再構成能力、複製能力がある。細胞は、こうしたタスクを実行するために、最長でミリメートルの長さスケールの非平衡構造や力場を生成して操作する、力生成「アクティブ」分子の相互作用を時空間的に調整する。生体分子や合成分子の実験的なアクティブマター系には、自発的に組織化して構造体を形成する能力や、大域的な流れを生じさせる能力がある。しかし、こうした実験系は、細胞に見られる時空間的制御が欠如しているため、非平衡現象や生物規範工学の研究に対する有用性が制限されている。今回我々は、人工のアクティブ生体分子系において構造や流体流を光学的に調節することによって、非平衡現象や、境界を介した制御の原理を明らかにする。我々の系は、精製した微小管と光活性化可能なモータータンパク質で構成されており、光を照射するとモータータンパク質が微小管を架橋・組織化し、さまざまな構造体を形成する。我々は、微小管構造体の形成、移動、合体を行うための、一連の光パターンで定義される基本操作を開発した。そして、こうした基本操作を組み合わせることによって、長さが数百マイクロメートルに及び、個々のモータータンパク質よりも最高で1桁速く収縮する微小管ネットワークを形成した。我々は、この収縮性ネットワークを操作して、持続的な流体流を生成し、整形した。今回明らかになった境界を介する制御の原理を用いることで、創発的な細胞構造や力を研究し、プログラム可能なアクティブマターデバイスを開発できる可能性がある。

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