(57)【要約】【課題】  基板上のあらゆる地点に着陸するタンパク質レールを効率よく誘導して、所望の回路に収束させることができる繊維状タンパク質の誘導素子と、その製造方法、並びに、その繊維状タンパク質誘導素子の応用構成を提供すること。【解決手段】  タンパク質モータ含有液中に浮遊する繊維状タンパク質を、所定方向へ誘導する素子において、タンパク質モータ含有液に接する面を有する基板と、その基板上に設けられ線状の突起から成るパターン構成体と、基板上の略全面に設けられ、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、繊維状タンパク質であるタンパク質レールを、その繊維軸に沿って運動させる機能を有するタンパク質モータとを設け、パターン構成体の線状形状に弧を配して、基板上の略全面に備わるタンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その弧の曲率中心側の側壁に当てて、弧の曲率中心方向へ誘導する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンパク質モータ含有液中に浮遊する繊維状タンパク質を、所定方向へ誘導する素子であって、
タンパク質モータ含有液に接する面を有する基板と、その基板上に設けられ線状の突起から成るパターン構成体と、基板上の略全面に設けられ、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、繊維状タンパク質であるタンパク質レールを、その繊維軸に沿って運動させる機能を有するタンパク質モータとを備え、
パターン構成体の線状形状が弧を有して、基板上の略全面に備わるタンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その弧の曲率中心側の側壁に当てて、弧の曲率中心方向へ誘導する
ことを特徴とする繊維状タンパク質の誘導素子。
【請求項２】
パターン構成体の線状形状が、円の一部分を欠いた円弧を有して、タンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その円弧内に誘導して蓄積する
請求項１に記載の繊維状タンパク質の誘導素子。
【請求項３】
パターン構成体の線状形状が弧を有して、複数本の弧の対で構成され、各弧が、それぞれの曲率中心に対向する弧の内側同士を向かい合わせて配置され、
タンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その各弧の内側で囲まれた領域に誘導して蓄積する
請求項１に記載の繊維状タンパク質の誘導素子。
【請求項４】
タンパク質レールに微小粒子を結合させて、タンパク質レールを誘導することによって、その微小粒子を運搬する
請求項１ないし３に記載の繊維状タンパク質の誘導素子。
【請求項５】
タンパク質レールに歯車状微小粒子を結合させ、タンパク質レールを誘導してその歯車状微小粒子を回転させることによって、歯車状微小粒子と噛合する歯車素子を回転させて動力を得る
請求項１ないし３に記載の繊維状タンパク質の誘導素子。
【請求項６】
請求項１ないし３に記載の繊維状タンパク質誘導素子をスイッチとすると共に、
タンパク質レールを情報担体とし、
タンパク質モータによるタンパク質レールの運動を演算とする
ことを特徴とする繊維状タンパク質誘導素子による回路。
【請求項７】
タンパク質モータ含有液中に浮遊する繊維状タンパク質を、所定方向へ誘導する素子の製造方法であって、
基板上に、スピンコートによってフォトレジスト層を設け、電子ビームによる露光を行って、弧を有する線状形状の突起から成るパターン構成体を形成し、
次いで、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、繊維状タンパク質であるタンパク質レールを、その繊維軸に沿って運動させる機能を有するタンパク質モータの含有液を、基板の略全面に付着させ、
その後、タンパク質モータの付着した基板の略全面を、タンパク質レール含有液の接触に供する
ことを特徴とする繊維状タンパク質誘導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質モータ含有液中に浮遊する繊維状タンパク質を、所定方向へ誘導する素子と、その製造方法、並びに、その繊維状タンパク質誘導素子の応用構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物は、様々な生体分子の働きによって、その生命活動を維持している。その生体分子の機能によって、生物はコンピュータや人工機械には真似のできないような柔軟で巧妙な能力を獲得している。そのような能力には、例えば、自律性、自己集合、自己修復、自己複製、学習、創造性などが挙げられる。
この能力の基礎となる素子である超分子は、生体分子の集合体であり、タンパク質はその代表的な構成要素である。この超分子は、ナノメータサイズの大きさでありながら、巧みな情報処理も行うことができる。
【０００３】
生体の機能のひとつに、運動がある。例えば、大型動物には、筋肉を収縮させ四肢を動かして跳躍するものがある。また、微生物には、繊毛や鞭毛を動かして、水中を泳ぐものもある。
これらの運動をもたらすものは、タンパク質モータと呼ばれるタンパク質である。タンパク質モータが多数集まり、運動を作り出している。
一般に、タンパク質モータは、細胞内で起こる種々の酵素反応の直接のエネルギー源であるＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を加水分解し、そこから得られる化学エネルギーを使って、タンパク質レールと呼ばれる繊維状のタンパク質（フィラメント）を、それらの繊維軸に沿って滑り運動をさせることが知られている。
【０００４】
タンパク質モータは、生体の動きを司るタンパク質であり、生物には普遍的に存在し、三種類に大別される。
アクチンというタンパク質レールの上を動くタンパク質モータは、骨格筋の収縮や原形質流動などに寄与するミオシンがある。
微小管（マイクロチューブ）というタンパク質レールの上を動くタンパク質モータには、細胞内の物質輸送などに関与するキネシンと、精子の鞭毛や気管の繊毛の運動などにも寄与するダイニンがある。
【０００５】
微小管には方向性があり、盛んに伸長する側をプラス、その反対側をマイナスと呼ぶ。神経軸索の中では、微小管は細胞体から神経軸索の先端に向かって、マイナス方向からプラス方向へと伸びている。このような微小管の上で、タンパク質モータの作用を受けて、神経軸索内でのタンパク質の輸送が行われる。
ダイニンは、微小管上をマイナス方向に移動するタンパク質モータであり、軸索内では細胞体の方向へ向かう輸送に関与する。
【０００６】
ダイニンの分子形状は、中央に穴の空いた直径12nmほどの球状の頭部と、そこから突き出た柄と、長い尾部とから成る。ダイニンは、頭部から突き出た柄の先だけで微小管と結合する。つまり、ダイニンは、微小管に結合するモータ領域を1つだけ有する。
【０００７】
タンパク質モータは、約2000〜5000個のアミノ酸からなり、機能に関わる総原子数は約10万〜100万である。
10nmほどの大きさのタンパク質モータは、タンパク質繊維の上をリニアモータのように滑走する。
例えば、直径10μmほどの微小な植物プランクトンであるクラミドモナスは、２本の鞭毛をもち、それらを平泳ぎをするように使って遊泳する。その鞭毛打頻度は60Hzにおよび、遊泳速度は毎秒100μmに達する。
鞭毛の横断面を見ると、割り箸を束ねたような構造が見られる。中央に2本の微小管（中心対微小管）があり、それらを取り囲むように9本の微小管（周辺微小管）が並び、鞭毛全長にわたって伸びている。この構造は9＋2構造と呼ばれ、殆どの生物の鞭毛及び繊毛に共通してみられる。
周辺微小管から隣の微小管には、ダイニン腕と呼ばれる構造が突き出ている。内腕と外腕の2列が微小管の上に規則的に配列し、これによって、鞭毛の屈曲を作り出している。
【０００８】
ダイニンをガラス基板上に低密度で吸着させて、微小管を加えると、ダイニンと結合した微小管は滑り運動を開始する。
運動している微小管を観察すると、ガラス基板上の1点で支えられ左右に旋回しながら運動していることがわかる。この旋回運動は熱揺動によるものである。支点にはダイニン1分子があり、微小管の連続的な運動を起こしている。微小管が、ダイニン分子に結合してから離れるまでに滑動する距離は、約4μmである。すなわち、ダイニンは、モータ領域を1つしかもたないのに、微小管から離れることなく自分自身の大きさの300倍を超える距離を1分子で運動する。
なお、ミオシンやキネシンは、2つのモータ領域をもち、その部位をタンパク質レールに交互に離接させて進むと考えられている。
【０００９】
タンパク質レールのアクチンや微小管は、直径数nmの分子が自己集積して繊維状の構造を形成するので、生体外で自己集積させることにより、数１０μmの長さの繊維にすることが可能である。
【００１０】
これまでに開発された技術としては、基板上に、線状にパターン化したフッ素樹脂やメタクリル系樹脂による微小トラックを設置し、その上にタンパク質モータを配列させて、タンパク質レールとの相互作用を、そのトラック面のみに限定させる方法がある。
【非特許文献１】Suzuki, H., Oiwa, K., Yamada, A., Sakakibara, H., Nakayama, H. & Mashiko,S. (1995). Linear arrangement of motor protein on a mechanically deposited fluoropolymer thin film. Jpn. J.Appli. Phys., 34,3937-3941.
【非特許文献２】Suzuki, H., A.Yamada, K.Oiwa, H.Nakayama, and S.Mashiko. (1997). Control of actin moving trajectory by patterned poly(methylmethacrylate) tracks.  Biophys. J. 72:1997-2001.
【００１１】
また、フォトレジストポリマーを用いて、ガラス基板上に溝を掘り、その溝の中でのタンパク質フィラメントの運動を制御する方法がある。
【非特許文献３】Hiratsuka, Y., T.Tada, K.Oiwa, T.Kanayama, and T.Q.Uyeda. (2001). Controlling the direction of kinesin-driven microtubule movements along microlithographic tracks,  Biophys. J81:1555-1561
【特許文献１】特開２００２−１８７９９号「微小駆動素子及びその製造方法」
【００１２】
また、タンパク質モータに関しては、次のような文献もある。
【特許文献２】特開平６−７４１４３号「微細運搬システムまたは動力発生装置」
【特許文献３】特開２００４−１０９６９５号「タンパク質モータの機能に基づく信号変換素子」
【非特許文献４】Oiwa, K.. (2003). Protein motors: Their mechanical properties and application to nanometer-scale devices.  Mater. Sci. Forum 426-4, 2339-2344.
【００１３】
例えば、特許文献１では、タンパク質レールの運動方向の制御について成功し、やじり状のパターンを溝に加えることで、タンパク質レールの運動の整流に成功している。
しかし、タンパク質レールの損失を抑えるために、溝を使用している。また、この方法では、溶液中に大多数漂っていて、やがて基板表面に吸着してくるタンパク質レールの運動を制御することは難しい。それは、タンパク質レールの着陸する表面が限定されているからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、基板上のあらゆる地点に着陸するタンパク質レールを効率よく誘導して、所望の回路に収束させることができる繊維状タンパク質の誘導素子と、その製造方法、並びに、その繊維状タンパク質誘導素子の応用構成を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の繊維状タンパク質の誘導素子は、次の構成を備える。
すなわち、タンパク質モータ含有液中に浮遊する繊維状タンパク質を、所定方向へ誘導する素子であって、タンパク質モータ含有液に接する面を有する基板と、その基板上に設けられ線状の突起から成るパターン構成体と、基板上の略全面に設けられ、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、繊維状タンパク質であるタンパク質レールを、その繊維軸に沿って運動させる機能を有するタンパク質モータとを備え、パターン構成体の線状形状が弧を有して、基板上の略全面に備わるタンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その弧の曲率中心側の側壁に当てて、弧の曲率中心方向へ誘導することを特徴とする。
【００１６】
ここで、パターン構成体の線状形状を、円の一部分を欠いた円弧を有するものとして、タンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その円弧内に誘導して蓄積するようにしてもよい。
【００１７】
また、パターン構成体の線状形状を弧を有するものとし、複数本の弧の対で構成し、各弧を、それぞれの曲率中心に対向する弧の内側同士を向かい合わせて配置して、タンパク質モータに捕捉され誘導されるタンパク質レールを、その各弧の内側で囲まれた領域に誘導して蓄積するようにしてもよい。
【００１８】
タンパク質レールに微小粒子を結合させて、タンパク質レールを誘導することによって、その微小粒子を運搬させてもよい。
【００１９】
タンパク質レールに歯車状微小粒子を結合させ、タンパク質レールを誘導してその歯車状微小粒子を回転させることによって、歯車状微小粒子と噛合する歯車素子を回転させて動力を得てもよい。
【００２０】
上記のような繊維状タンパク質誘導素子をスイッチとすると共に、タンパク質レールを情報担体とし、タンパク質モータによるタンパク質レールの運動を演算とすることによって、繊維状タンパク質誘導素子による回路を構成してもよい。
【００２１】
このような繊維状タンパク質の誘導素子を製造する方法は、基板上に、スピンコートによってフォトレジスト層を設け、電子ビームによる露光を行って、弧を有する線状形状の突起から成るパターン構成体を形成し、次いで、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、繊維状タンパク質であるタンパク質レールを、その繊維軸に沿って運動させる機能を有するタンパク質モータの含有液を、基板の略全面に付着させ、その後、タンパク質モータの付着した基板の略全面を、タンパク質レール含有液の接触に供することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、簡易な構成でありながら、基板上のあらゆる地点に着陸するタンパク質レールを効率よく所望の位置へ誘導することができる。
特に、基板に設けるパターン構成体は、簡易な手法によって製造でき、比較的簡素なパターンで構築できる。また、高速で運動するタンパク質モータであるダイニンを利用することができる。ランダムな方向に運動するタンパク質レールの運動を簡便に整流できるので、回路設計容易な素子構築技術に寄与もする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
本発明は、従来のシリコンを主体とした無機質の情報処理素子ではなく、タンパク質モータと呼ばれるバイオ超分子の動作を利用して、生物に見られるような柔軟な働きを備えた知的情報処理素子と、それを用いたネットワークアルゴリズムの基本構成を提供する。
【００２４】
図１は、タンパク質モータの作用を示す斜視説明図である。
薄板状のガラス基板（１０）の上の略全面に、ダイニン等のタンパク質モータ（２０）が吸着して設けられる。基板（１０）にタンパク質モータ（２０）を固定化させる方法としては、吸着、イオン結合、共有結合などが挙げられる。
繊維状タンパク質である微小管等のタンパク質レール（３０）は通常は溶液中に浮遊しているが、熱運動等によって基板（１０）の近傍に到達すると、タンパク質モータ（２０）に捕捉されて、滑り運動を開始する。
タンパク質モータ（２０）は、アデノシン三リン酸の加水分解によって生成するエネルギーを利用して、タンパク質レール（３０）をその繊維軸に沿って運動させる。
【００２５】
基板（１０）の材質としては、ガラスや、表面に樹脂薄膜を有するガラス、樹脂や、表面に樹脂薄膜を有する金属などが挙げられる。
基板（１０）に用いる樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＣＦＥ、ＥＴＦＥ、シリコン、ＰＭＭＡなどが挙げられる。
これらの基板材料としては、使用するタンパク質モータ（２０）と親和性を有して結合しやすいものが好ましい。
また、基板（１０）の大きさとしては、例えば、一辺の長さが、100nm〜1mm程度のものが挙げられる。
【００２６】
図２は、パターン構成体（１１）によるタンパク質レール（３１）の誘導を示す説明図である。
フォトリソグラフィーの技術を利用し、フォトレジスト膜であるNEB-22を用いて、電子線露光によって簡素なパターン構成体（１１）を描画形成した。
本実施例のパターン構成体（１１）は、高さ約500nmの突起が、長さ約10μm連らなった線状であり、緩やかな弧からなる壁を構成している。２本（１１）（１１）の弧の対で設けられ、各弧は、それぞれの曲率中心に対向する弧の内側同士を向かい合わせて配置される。
【００２７】
パターン構成体（１１）は、フォトレジストや電子ビーム、集束イオンビームを用いて、この基板（１０）の表面に単純なパターンとして形成される。高さはは500nm〜1μm程度である。
フォトレジスト膜の場合は、スピンコートして付着させた後、電子ビームによる露光を施して、パターン構成体（１１）を形成する。光露光を用いたマスクによる構築も可能であるが、電子ビームのほうが細線化できる。
このようなパターン構成体（１１）は、きわめて単純であり、電子ビーム、集束イオンビームや原子間力顕微鏡、ナノインプリント技術やナノプローブによる構築技術などの生産効率の低い装置を用いても大量生産できる利点がある。
【００２８】
パターン構成体（１１）の側壁面（１２）には、使用するタンパク質モータ（２０）が付着しにくい材料を施すことが好ましい。このような材料としては、例えば、メラミン系樹脂やアクリル系樹脂が挙げられる。
【００２９】
タンパク質モータ（２０）に捕捉されて滑動するタンパク質レール（３１）は、パターン構成体（１１）の側壁面（１２）に衝突して、その運動方向を変化させられる。多くの場合、流水のように方向転換し、側壁面（１２）に沿って運動を続ける。
パターン構成体（１１）が、図２のように弧状であると、その弧の曲率中心側の側壁面（１２）に当たったタンパク質レール（３１）は、弧の曲率中心方向へ誘導される。図２のようにパターン構成体が、互いに向き合う２つの弧（１１）（１１）から成る一対で形成されると、タンパク質レール（３１）は、その各弧の内側で囲まれた領域に誘導されて蓄積される。
なお、タンパク質モータ一分子の力は、およそ数pNである。
【００３０】
タンパク質モータ（２０）としては、ダイニンの他に、キネシン、ミオシンを用いることができる。
ダイニンは、微小管に沿って運動するタンパク質モータであり、生体内では、細胞小器官の輸送を行なったり、鞭毛や繊毛の波打ち運動を作り出している。ダイニンは、数種の重鎖と、中間鎖、軽鎖からなる。ダイニンには、球状の頭部が１つ以上存在し、それぞれの頭部にＡＴＰ加水分解活性があり、微小管との結合部位がある。ダイニンは鞭毛運動等の原動力としての単純な力発生器ではなく、力の出力調節機能をも兼ねていると考えられている。
【００３１】
キネシンは、生体内では、細胞小器官を微小管に沿って移動させるタンパク質モータである。細胞内小器官の輸送を行うキネシンは、２つの重鎖と数個の軽鎖と中間鎖からできていて、それぞれの重鎖は配列の保存された球状のＡＴＰ結合頭部と棒状の尾部でできている。頭部ドメインは、微小管結合能とＡＴＰアーゼ活性をもつモータユニットであり、尾部は特定の細胞成分と結合し、輸送するものの種類を決めている。
【００３２】
ミオシンは、生体内では、アクチンフィラメントに沿って方向性のある運動を行い、細胞内部の運動や筋肉の収縮を起こす。例えば骨格筋などが備わっている。
【００３３】
タンパク質モータ（２０）は、基板（１０）の表面への付着を容易にするために改変させてもよい。そのような改変は、例えば遺伝子工学的にタンパク質モータ（２０）自体の性質を改変する方法や、生化学的にビオチン化し、ストレプトアビジンを介して付着させる方法などがある。
【００３４】
一方、タンパク質レール（３０）は、一種類のタンパク質レール分子が重合して、太さ1〜50nm程度のフィラメントを形成し、このフィラメントと数十nmの大きさのタンパク質モータ（２０）との間で滑動を生じる。
【００３５】
タンパク質レール（３０）としては、微小管やアクチンなどを用いることができる。
微小管は、アルファーチューブリンとベーターチューブリンとの各１分子から成るヘテロ二量体を基本単位として、重合した全ての真核生物に存在する細胞内構造体であり、通常１３本のプロトフィラメントからなる管状構造をもつ。細胞内の微小管の重合は、微小管末端のチューブリンに結合したグアニンヌクレオチドの加水分解反応に支配されていて、この動的不安定性が、有糸分裂、鞭毛運動、繊毛運動、オルガネラの輸送、分泌機能、細胞骨格形成、生体膜機能などの多岐にわたり、中枢的な機能を果たす上で重要であることが知られている。
アクチンとしては、例えば、ウサギの骨格筋のアクチンフィラメントなどが挙げられる。
【００３６】
本発明では、タンパク質を用いるので、そのタンパク質がおかれる環境を整えることが好ましい。
その素子環境としては、例えばタンパク質を緩衝液で浸すことが挙げられる。緩衝液としては、例えば、塩酸イミダゾールと、塩化カリウムと、塩化マグネシウムと、ＥＧＴＡと、ジチオスレイトールとからなる溶液が挙げられる。
【００３７】
また、ＡＴＰ量を制御することによって、素子環境を制御することもできる。
また、温度によってもタンパク質モータ（２０）の機能が変化するので、温度を制御することにより素子の応答性を調整してもよい。一般に、１０℃程度の温度差があれば、タンパク質モータ（２０）は2〜4倍の速度変化をもたらすことが知られている。
【００３８】
図３は、別実施例のパターン構成体（１１）によるタンパク質レール（３１）の誘導を示す説明図である。
パターン構成体（１１）は、２本の長い略直線状のパターンと、それから５箇所で分岐される円弧状のパターンとから成る。２本の長い略直線状のパターンの一端は広く開口していて、その側壁面（１２）に当たったタンパク質レール（３０）は、２本の長い略直線状のパターンの間に誘導される。
略直線状のパターンから分岐される円弧状のパターンの径が、開口部から奥へ進むに連れて太径になっているので、タンパク質レール（３１）をその径に応じて分類して、各円弧内に蓄積することができる。
【００３９】
図４も、別実施例のパターン構成体（１１）によるタンパク質レール（３１）の誘導を示す説明図である。
開口部から取り入れられたタンパク質レール（３１）は、多数林立する柱状突起（１３）の間を経由して、一部分を欠いた円弧内に誘導され蓄積される。
【００４０】
以上のようなタンパク質レール（３０）に、薬品や機能性分子などの微小粒子を結合させると、タンパク質モータ（２０）及びパターン構成体（１１）によって、タンパク質レール（３０）を誘導することによって、その微小粒子の運搬に寄与させることができる。
また、タンパク質レール（３０）が自由に運動しうる領域を２箇所設置し、その間を整流可能な線状のパターン構成体（１１）で連結すれば、タンパク質レール（３０）に微小粒子を担持させてその２領域間で移送することができる。
【００４１】
タンパク質レール（３０）に歯車状の微小粒子を結合させると、タンパク質レール（３０）を誘導してその歯車状微小粒子を回転させることによって、歯車状微小粒子と噛合する歯車素子を回転させて動力を得ることがきできる。それには、パターン構成体（１１）の配置を略円形にして、タンパク質レール（３０）を一方向に回転させる。
【００４２】
パターン構成体（１１）をスイッチとみなすと共に、タンパク質レール（３０）を情報担体とみなし、タンパク質モータ（２０）によるタンパク質レールの運動を演算とみなすと、タンパク質レールの誘導素子による回路を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によると、微小領域における微小粒子の移動や攪拌、また、情報担体としての繊維状タンパク質の捕捉、分岐、整流などに利用可能な新規駆動システムを提供することができる。これは、ナノマシンやバイオ機能を用いたバイオコンピュテーションに必須な技術である。また、このようなタンパク質モータとタンパク質レールとの間で生じる運動のエネルギーを、外部に取り出すこともできるので、微小物質の輸送用動力源などにも利用可能であり、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】タンパク質モータの作用を示す斜視説明図
【図２】パターン構成体によるタンパク質レールの誘導を示す説明図
【図３】同、別実施例
【図４】同、別実施例
【符号の説明】
【００４５】
１０  基板
１１  パターン構成体
１２  側壁面
１３  柱状突起
２０  タンパク質モータ
３０  タンパク質レール
３１  移動方向を示すタンパク質レール
【図１】
2006169120.tif 000003
【図２】
2006169120.tif 000004
【図３】
2006169120.tif 000005
【図４】
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