FEATURE

未来に馳せるバイオからの挑戦

Biology Inspired ICT: A Bridge to the Future

力学で生物ゆらぎの情報処理を理解して操作する
超省エネコンピュータや聴覚・触覚の生体内 ICT 開発を目指してれまでの生物の研究から、脳神経こ ネットワーク等が進化の過程で電気的、分子的、力学的な情報通信を利用して省エネルギーで複雑な情報処理を行っていることが明らかになりました。
これらの自然の情報処理システムを理解し応用することで、社会に革新をもたら

未来 ICT 研究所
神戸フロンティア研究センター
バイオICT 研究室
主任研究員
大学院修了後、大阪大学助教、特任准教授、理研にて副チームリーダーなどを経て、2022年に NICT 入所。生物の力学情報処理の研究と応用に従事。
大阪大学招へい准教授（兼務）。
博士（理学）。

報通信方法（力学通信）が数十億年かけて進化し、極めて少ないエネルギーで複ば、人間の脳はたかだか20 W 程度の消した情報処理の理解が遅れています。そシステムの設計と分析から超省エネ情報な情報処理をしていると言われていまら自身の位置情報を柔軟に処理していま

こで私たちは、生体分子の大きさ（10 nm処理の動作原理を理解し、自在な操作にす。これらの自然の ICT を理解し、新たす。このため、サルコメアは力学通信を程度）に近い世界最小のコイル状バネ（ナつなげることで、様々な社会実装の新しな情報処理コンセプトを生み出したり、利用した情報処理を行うインテリジェンノスプリング）を設計し、分子同士や細い可能性を追求しています。例えば、動自然の ICT システム内部を設計・操作すトなマイクロボットとも言えます。また、胞と細胞外環境をバネでつないで、その作原理の理解から超低消費電力のコンる技術は未開拓の分野であり、社会を変熱的なゆらぎを活用して運動するので、伸縮の変動や向きを高感度に検出する技

ピュータ設計のヒントを得たいと考えて革する大きな可能性を秘めています。自人工的なアクチュエータでは実現できな術を開発しました（図2）。DNA 分子をいます。また、生物の持つ五感のうち、然の ICT の特徴の一つは、生物が利用でいレベルでの省エネルギー性を実現して組み上げてボトムアップ的に作成するた聴覚と触覚は生体外部の力学的な信号をきるエネルギーが極めて小さいため、シいます。この仕組みを理解し応用するため、フォトリソグラフィーなどの既存技検知・処理して脳に伝達しています。自ステム内部の熱的なゆらぎを抑え込むこめに、私たちは、DNA ナノテクノロジー

術で作成するバネの数十倍の微細化に成在に制御可能なサルコメアのようなマイ18世紀から始まった電気的な情報通とができず、情報処理が複雑で確率的なを活用してサルコメアのような分子シス功しています。生体材料ですので生体適クロボットを聴覚・触覚システムに組み信技術や現代の光通信技術などは、電プロセスとなる点です。現在、脳の確率テムを人工的に設計し（図1）、設計し合性も高く、生体分子システムや生体内込むことで、特定の信号を増幅して感度話、テレビ、コンピュータ、そしてイン的な情報処理の研究が進められています

たシステムの内部動作を世界で初めて精へ導入しても毒性なく組み込めると期待を高めたり、病気や老化によって鈍ったターネットにより現代社会で不可欠な発が、多数の神経細胞がネットワーク化さ密に観察する技術を開発してきました 。

しています。実証実験として、細胞が接感覚機能を補助する可能性があります。

展を遂げました。一方で、生物に注目れた超複雑なシステムであるため、全容同時に、内部動作を定量的に再現したシ着する足場の硬さを検知するインテグリ

さらに、ナノスプリングは力学信号を蛍すると、脳神経ネットワークが利用する電はまだまだ明らかにされていません。そミュレーションモデルも構築し、動作予

ン分子にナノスプリングを連結して観察

光シグナルに変換するフォースセンサとこで私たちは、生命の階層の中でも比較測や情報物理の視点から解析すること

すると、インテグリン1分子を介して細して機能するため、生体内に組み込んで的小規模で、近年、設計が可能になってで、自在な操作や超省エネルギーな情報胞が受信する微小な力の大きさと向きが蛍光シグナルを検出することで、将来的きた生体分子システムに焦点を当てて研処理の理解にもつなげる努力をしています。

秒オーダーで変動している様子を世界でには生体内の硬さ情報をモニタリングす初めて捉えることができました（図3） 。

ることが可能になると期待されます。皮ノイズとなる熱ゆらぎと大差ない力学信膚組織、血管、がん組織などの硬さは老号を受信して処理しているため、分子シ化や悪性度との相関が高く、体内の状態

2021年のノーベル生理学・医学賞は、ステムや細胞の内部動作解析と合わせるを診断する新しい生体内 ICT 技術となる可能性を秘めています。

処理システムや分子レベルの弾性部品（ナノスプリング）の設計・分析を通して、超省エネルギーなシステム開発や聴覚・触覚の生体内 ICT 開発を目指しています。
■背景■生体分子システムの設計と内部動作解析

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NICT NEWS 2024 No.3

図3 細胞膜上のインテグリン分子が受信する力学信号の超高感度検出雑な情報処理を実現しています。例え究を進めています。

図1 生体分子システムの設計と動作シミュレーション

図2 ナ
 ノスプリングと生命の各階層の大きさとの比較（上）及び聴覚で働くモータ（ミオシンVI）1分子によるナノスプリングの伸縮の蛍光観察と力の検出（下）おり、システム内外と力学通信をしなが筋肉のような力学通信を利用した情報（いわき みつひろ）（分子通信）及び機械的な力を介した情費エネルギーでシステムを維持し、複雑す可能性があります。そこで私たちは、

岩城 光宏

気的な情報通信、分子を介したやりとり[1]■力学通信を可視化するナノスプリングの開発[2]

生体内では多様な生体分子が自己集合

生物が力学情報を受信して応答する素子ことで、確率的な動作をベースとした超してシステムを構成し、その内部で力学となるメカノセンサ分子（Piezo）の発省エネ情報処理の理解が進むと期待して的な情報のやり取りを行っています。例

見に授与されました。ミオシンを含む生います。

えば、動物が普遍的に持っている筋肉に物分子モータもメカノセンサ分子であり、は、最小単位構造として存在するサルコ

近年、多種多様な分子がメカノセンサとメアと呼ばれる分子システムがあり、生して機能していることが明らかになって

私たちは自然の ICT の中でも、消費エ物分子モータ（ミオシン）がお互いに力います。しかし、これらの分子がどのよネルギーや効率の評価が容易な、力学通学通信を行いながら協調的に動作していうな力学情報をやり取りしているのかを信を利用した情報処理システムに注目ます。個々のミオシンは熱的にゆらいで可視化するのは難しく、力学通信を利用し、研究を行っています。筋肉のような■今後の展望

参考文献[1]	F U J I T A , K . , O H M A C H I , M . , I K E Z A K I , K . ,YANAGIDA, T., IWAKI, M., “Direct visualizationof human myosin II force generation using
DNA origami-based thick filaments,” Commun.
Bio. l, 2, 437, 2019.
[2]	MATSUBARA, H., FUKUNAGA, H., SAITO, T.,
IKEZAKI, K., IWAKI, M., “A programmable DNA
origami nanospring that reports dynamics of
single integrin motion，force magnitude andforce orientation in living cells,” ACS Nano, 17,13185–13194, 2023.

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