この研究についてひとこと
生体分子液滴という生命科学における重要な対象を調べるために、一般には光を用いた手法が使われてきましたが、我々の研究は、音(超音波)を使った技術の有用性・優位性を明確に示すものだと考えております。今後、生体分子液滴を対象に、他の手法では計測することのできない環境における高精度な物性計測を超音波技術により実現し、生命現象の解明に貢献したいです。
中島 吉太郎
- 工学研究科
- 准教授
“音のピンセット”により生体分子の液滴を 操作・計測する新手法を確立
マイクロスケールの液滴に全く触れずに硬さを計測する新技術
研究成果のポイント
概要
大阪大学大学院工学研究科 中島吉太郎准教授らの研究グループは、イギリス・ケンブリッジ大学の研究グループと共同で“音のピンセット”技術で生体分子液滴に全く触れずに操作できることを示し、運動の様子からその硬さを完全非接触で推定する手法を世界で初めて確立しました。
生体分子液滴は、マイクロメートルスケール(髪の毛の太さの10分の1程度)の大きさを持つとても柔らかい液滴です。この液滴の硬さや粘りは、内部に含まれる生体分子に関する重要な情報を持っています。従来の計測手法は、対象に触れる必要がありますが、液滴は小さく壊れやすいため、従来の方法で硬さなどを計測することは困難でした。
今回、研究グループは、超音波を用いた“音のピンセット”によって、非接触で分子液滴をつまみ、マイクロ空間で捕まえることに成功しました(図1)。また、捕まえられた液滴の“揺れ”を理論的に解析することにより、液滴に全く触れずにその硬さを計測する手法を提案し、その妥当性を実証しました。これにより、生体分子液滴を代表とする小さく柔らかい材料の物性解明が期待されます。
本研究成果は、米国物理学会誌「PRX Life」に、8月１７日（月）（日本時間）に公開されました。
図1. 上：”音のピンセット”により分子の液滴が集められる様子。下：音のピンセットにより規則的に配列された分子液滴
研究の背景
柔らかい物質を研究するソフトマター物理学では、コロイドと呼ばれる小さな粒子１個の性質を調べることが重要な課題です。近年、この課題は、生体分子液滴の発見によってさらに注目されています。生体分子液滴は、相分離によって細胞内にできる膜を持たない小さな液滴状の構造で、大きさは100nm～5μmほどです。蛋白質や核酸からできており、細胞の働きや病気との関わりが明らかになりつつあります。そのため、液滴の硬さや粘りなどの性質を調べることが働きを理解するために重要ですが、液滴は非常に小さく柔らかいため、触れると壊れやすく、従来の測定方法では詳しく調べることが困難でした。
研究の内容
研究グループは、音響ピンセットという超音波を利用した技術を用いて、生体分子液滴の性質を触れずに測定する方法を開発しました。
音響ピンセットは、超音波がつくる力を利用して、小さな粒子や液滴を空中や液体中で動かす技術です。研究グループは、携帯電話などにも使われる音波の技術を応用した小型デバイス(図2)を作製し、その音波によって生体分子液滴を壊さずに操作できることを世界で初めて実証しました(図1)。
さらに、研究グループは、音響ピンセットで生体分子液滴を捕捉し、そのわずかな揺れを顕微鏡で観察しました。液滴は目に見えないほど小さく揺れていますが、その揺れ方は液滴の硬さによって変わることを理論と実験の両方から明らかにしました(図3)。つまり、液滴に直接触れなくても、揺れを調べるだけで硬さを測定できることを示したのです。この方法を用いて、核酸(RNA)からできた生体分子液滴は周囲の環境に応じて硬さが変化することも明らかにしました。この研究により、生体分子液滴の性質を壊さずに調べられる新しい計測技術が実現しました。
図2. 研究に使用された音の小型デバイスの模式図(左)と実際の顕微鏡画像(右)。狭い空間に発生する”超音波の波紋”を制御することにより、計測が実現する。
図3. 左：音により液滴(緑の球)が捕まえられる様子。音の力を受けながら熱エネルギーで位置が微妙に揺れる。この運動はブラウン運動と呼ばれる。
右：全く同じ“音の場”の中で粒子の硬さに伴い、揺れの様子が変化することを示したシミュレーション結果。硬い液滴と柔らかい液滴を比べると、柔らかい液滴の方が、音から受ける力が小さく、結果として揺れが大きくなる。
本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)
本研究で開発した手法により、生体分子液滴の硬さや変化を壊さずに調べられるようになりました。今後、この技術を使うことで、生体分子液滴が細胞の中で果たしている役割や、アルツハイマー病やALSなどの病気との関係がさらに明らかになることが期待されます。超音波と物理を組み合わせて、これまでできなかった液滴の性質を調べ、未来の医療につながる可能性を秘めています。
特記事項
本研究成果は、2026年8月１７日（月）（日本時間）に米国物理学会誌「PRX Life」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Mechanical profiling of biopolymer condensates through acoustic trapping”
著者名：Kichitaro Nakajima, Tomas Sneideris, Nadia A. Erkamp, Lydia L. Good, Yuri Hideshima, Hirotsugu Ogi, and Tuomas P.J. Knowles
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1103/kl9v-5ywv
なお、本研究は、日本学術振興会・科学研究費助成事業(25K00016, 24KK0104)の一環として行われました。
参考URL
SDGsの目標
用語説明
- 生体分子液滴
生体分子液滴とは、細胞の中で蛋白質や核酸が集まり、液滴のような状態になったものです。膜で囲まれていないため必要に応じて素早く作られたり消えたりし、細胞内で物質を集めて生命活動を効率よく進める役割を担っています。代表的なものとして、核小体やストレス顆粒が挙げられます。
- 音響ピンセット
音響ピンセットとは、超音波を利用して微小な粒子や細胞を触れずに動かしたり集めたりする技術です。超音波がつくる圧力の差によって粒子に力が働き、目的の位置へ移動させることができます。光を使う光ピンセットに比べて熱による影響が小さく、一度に多くの細胞や生体分子液滴を操作できることが特徴です。再生医療や細胞研究、創薬などの分野で、細胞などを傷つけにくい操作技術として期待されています。
- 相分離
相分離とは、混ざり合っていた物質が性質の違いによって自然に分かれる現象です。油と水が分かれるのも相分離の一例です。細胞内では、蛋白質やRNAが相分離によって集まり、生体分子液滴を作ります。これにより、必要な反応を効率よく進めたり、細胞の働きを調節したりしています。
