光で動くカルシウム駆動の人工タンパク質ネットワーク ^{CEFR B2}

人工細胞を薬物送達などに利用するには、運動や形状変化、分裂といった細胞様システムを駆動する制御された機械的作用が不可欠です。多くの生物細胞はATP駆動のモータータンパク質を使いますが、繊毛虫はカルシウムのパルスで超高速の収縮を行い、ATPはカルシウムの再貯蔵に使います。

ジョージア工科大学主導の研究（Nature Communications）では、この戦略をATP不要の人工タンパク質ネットワークに適応しました。研究チームはTetrahymena thermophila由来のカルシウム結合タンパク質Tcb2を生成・精製し、試験管内で繊維状ネットワークが形成され、カルシウムにさらされると収縮することを示しました。光感受性のカルシウムキレート剤（「ケージ」）を用いて、光を当てた場所だけでカルシウムを放出し、ネットワークの組み立てと収縮を空間的・時間的に制御しました。星や円の光パターンを投影すると、対応する形でネットワークが組み立てられて収縮しました。

パルス照明による駆動でネットワークは約150サイクルにわたり繰り返し収縮し、収縮速度は約0.4マイクロメートル毎秒でした。研究者らはこのネットワークが微小粒子を移動させることを示し、合成細胞様の送達システムに使える制御可能な作動機構への一歩としました。さらにコンピュータモデルを作成し、シミュレーションと強化学習を用いて光パターンでネットワークを押したり引いたりする制御法を学習させました。

研究はSaad Bhamlaのラボ発で、研究者は繊毛虫の設計を「純ガソリンエンジンよりもプリウスに近い」と例え、光制御のカルシウム“エンジン”が合成細胞の力発生装置となる可能性を指摘しました。本研究は一部を全米科学財団が資金提供しました。