生き物のように代謝する素材ーロボット工学の新しいフロンティア

●　研究者は、人工DNAをベースにした新しい種類の生体材料を開発。

●　代謝や自己組織化、編成など、リアルな性質を備える。

すべての生物は、新しい細胞を生成し、古い細胞を廃棄することによって維持されています。 自己持続性の2つの主要な要素は、生合成と生分解性です。

生命を含む材料は、階層的で制御された方法で自律的に合成、配置、散逸、分解されます。 これまでのところ科学者は、生物工学に基づいた代謝の模倣による、そのような材料をゼロから構築することはできていません。

しかし、代謝の一部に類似した、合成的な方法で本物とそっくりな材料の構築を可能にする多くの技術が存在します。このような技術に触発されて、コーネル大学の研究者は、生物の特性を備えた人工物の開発を報告しました。

この新しいDNA材料は、代謝、自己組織化、編成という3つの重要な生命特性すべてを備えています。研究者は、生物ではないが、これまでに見たことのない生きた物質的概念を生み出しました。

リアルな素材を一から作成

研究チームは、DASH（DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical (DNAベースの組立と階層の合成)）と呼ばれる特殊な材料を使用して、代謝、自己組織化、編成機能を備えた生体材料を構築しました。

この新しい動的材料は、その小さな（原子スケールの）構造から自律的に進化し、最初はポリマーに、最終的にはメソスケールの構造に組織化されます。

研究者は、塩基配列を持つDNA分子を数十万倍と増殖を繰り返し、ミリメートルサイズのDNA鎖を生成しました。生合成と液体流エネルギーに不可欠な構成要素として、反応溶液をマイクロ流体装置に注入しました。

そこから、DNAは独自の生体分子を合成し始めました。前端が成長する一方で、後端はバランスよく分解しました。これにより、素材は自律的に前方に移動しました。

その後、研究チームはさまざまな素材のセットを競争で互いに競わせました。勝者は、特定の形状に固有の利点ではなく、システムのランダム性によって選択されました。

この生体材料は、2サイクルの合成と分解で寿命を終えます。その寿命はさらに延びる可能性があり、そうなれば、自己複製して新しい「世代」を残す可能性も出てきます。

今後の可能性

これはまだまだ原始的ではありますが、生体分子から動的な機械を開発する新しい手法を実証しています。研究者は、シンプルな設計から競争などの複雑な行動を構築することができました。

人工代謝はまた、ロボット工学の新しいフロンティアを開く可能性もあります。研究者たちは現在、食べ物や光などの刺激に反応し、危険を特定することさえできる素材を作成しようとしています。

全体としてこの調査結果は、自己進化できる生体材料を作成し、それ自体のより良いバージョンを作成することが可能であることを示しています。また、新しいナノ材料やタンパク質の生産、病原体の特定にも使用することができます。