生体分子による巨大構造の自己組織化

直接的な応用としては、ナノメートルサイズの粒子が1000倍から100万倍の大きさの構造を自律的に創る仕組みの数理モデル化によって、材料分野における所望の構造を自律的に形成する場合の設計指針に応用できると考えられます。また、Vicsek モデルに近い数理モデルを用いた人間の集団行動の研究として、火事などの災害時の緊急避難の解析が行われている現状をかんがみると、今回発見した微小管の運動のような短期的な記憶を伴う自走粒子の運動を実験的及び理論的に研究することは、避難時や渋滞時の人間の集団運動の解析や集団秩序の制御、あるいは畜産や漁業での家畜の群れや魚の群れの効率的な制御を行うために有用な知見を与えることにつながると考えられます。

なお、この研究成果は、Nature 2012年3月22日号に掲載されます。

タンパク質モータは、大きさが10～50nm（ナノメートル）ほどのタンパク質で、生命の運動に関わるタンパク質です。ATP（アデノシン三リン酸）を加水分解して、そこから得られるエネルギーを使って、タンパク質フィラメントの上を滑るように運動することができます。代表的なタンパク質モータには、筋肉の収縮を引き起こすミオシン、細胞の中の物質輸送を担うキネシン、鞭毛や繊毛の波打ち運動を作る出すダイニンがあります。それぞれのタンパク質モータは、タンパク質フィラメントと相互作用して運動することができます。ミオシンはアクチンと、キネシンとダイニンは微小管と相互作用して動きます。微小管は、直径25nm（ナノメートル）ほどで長さが10μm（マイクロメートル）に及ぶ細長い中空のフィラメントです。生物から抽出して精製したタンパク質モータをガラス基板の上に吸着させ、この上にタンパク質フィラメントを加えて、エネルギー源であるATP を添加します。すると、タンパク質フィラメントは、まるで生き物のようにガラス基板上をはいまわります。このような実験系をin vitro 運動アッセイと呼びます（図3）。

本研究では、ダイニンと微小管を使ってこのin vitro運動アッセイを行いました。ガラス表面に吸着させたダイニンの上を長さ10μm（マイクロメートル）ほどの微小管が運動します。 このとき、微小管の運動方向はランダムであるために、時々、ほかの微小管と衝突することがあります。衝突の際に微小管同士が寄り添うように振る舞います。たくさんの微小管が衝突を繰り返すうちに、運動する微小管が集まってきて、双方向に運動する微小管からできた大きな流れが出現します。10分ほど経つと、この流れの中にたくさんの渦が出現します。この渦の直径は平均で400μm（マイクロメートル）ほどで、ガラス基板表面（10mm×20mm）を覆い尽くすほどたくさんの渦が一面に出現します（図4）。

この自走する粒子の集団運動のモデル化は、避難時や渋滞時の人の集団運動の解析につながるものです。これまでに人の集団運動の研究としては、Vicsekモデルに近い数理モデルを用いたものがあります。例えば、火事などの災害時の緊急避難の解析がこれを用いて行われており、効率な避難方法の提案などにつながっています。また、非常に多くの人間が集まるある種の祭典では、交通渋滞が起こり、圧死などが問題となっている例があり、政府がこの問題解決を数学の専門家に依頼するなど、人間の集団制御に関しては、基礎研究サイドからの成果が期待されているところです。

今回の成果は、自走粒子集団の秩序的な運動であり、この現象を応用すれば人の集団秩序の制御への応用につながると期待されます。また、人間以外にも羊の群れや魚の群れの効率的な制御を行うことで、畜産や漁業などにも有用な知見を与えることになると期待できます。

また、ナノメートルサイズの粒子が動的に1000倍から100万倍のスケールの違う規則構造を作る原理の解明は、分子を用いた情報処理素子などのボトムアップ的構築技術を要する素子開発の開発指針を与えるものと考えられます。

氷やミョウバンの結晶成長、シャボン玉の薄膜の形成等、ランダムな状態から秩序のある状態へ、あるいは微視的要素が巨視的構造に自分で勝手に組み上がっていく現象を「自己組織化」と呼ぶ。結晶成長などが平衡系の自己組織化の代表例であるが、魚の群泳など、より動的な構成要素から成る非平衡系の自己組織化もあり、このメカニズムの解明は現代科学の大きな研究テーマになっている。

CEA は、独自の優れた基礎研究実績と多岐にわたる専門知識を駆使し、多くの教育機関及び産業界のパートナーと多数の共同プロジェクトを推進している。現在、CEA の職員数は、研究者・技術者・事務職を合わせて16000人に上り、欧州研究ネットワークにおいて主要的地位を占めている。

生物の運動の原動力となっているタンパク質である。ATP（アデノシン三リン酸）を加水分解したときに得られるエネルギーを使って、タンパク質フィラメント の上を運動することができる。代表的なタンパク質モータは、筋肉の収縮の原動力であるミオシン、細胞内の物質輸送に関わるキネシン、繊毛・鞭毛の運動を作 り出すダイニンがある。

真核生物の鞭毛や繊毛の運動を作り出すタンパク質モータ。大きさ50nm（ナノメートル）ほどのタンパク質であり、ATP（アデノシン三リン酸）の加水分解で得られるエネルギーを使って微小管の上を滑るように運動する。

ダイニンやキネシンの運動の軌道となるタンパク質フィラメント。球状タンパク質であるチューブリンが重合してできたフィラメントで、直径25nm（ナノメートル）の中空の筒である。重合の程度で微小管の長さは変えることができる。この実験では10〜15μm（マイクロメートル）ほどの長さの微小管を用 いている。

外部あるいは化学反応によりエネルギーの注入を受け動く粒子の総称。具体的には周りから揺すられた粒子や、昆虫、動物や人間、自動車など様々な"動くもの"を表す。

自己駆動粒子が集合することで生じる協同的な運動様相のこと。外部からの指示、あるいは群れを操るリーダーが不在にもかかわらず、全体として秩序ある運動が生じる。具体例として、魚の群れ運動や車の渋滞現象が挙げられる。

Tamas Vicsek により提唱された自己駆動粒子の数理モデル。粒子の運動速度を一定に保つ、相互作用はすぐ近くの粒子とのみ行う等、大胆な単純化を行ったモデルである。このような単純化にもかかわらず、実験で見られる様々な集団運動を記述することができる上、異なる"動くもの"の集団運動の背後に潜む数理構造に近づく手がかりともなっている。