この度は「生細胞の分子交換メカニズム解明に関する研究」と題して日本機械学会奨励賞（研究）を賜り、この執筆の機会をいただきました。

私が在籍していた出口研究室（大阪大学基礎工学研究科）はこれまで細胞の力学適応メカニズムを探る研究を行ってきました。2018年春、博士課程の学生として研究室に入った私は、細胞が力学刺激に適応する動画を観て驚きました。例えば橋や梁など人工構造物は、人が部品を入れ替えない限り朽ちていきます。個々の細胞内にも橋等に似た分子構造物（たんぱく質などが集まってできた複合体）があります（図1）。人為的に部品交換を行う人工物とは対照的に、細胞内構造物は自ら破壊と再構築を繰り返して力学的に適応するのです。この適応力を失うと、細胞はストレスを抑えきれずに炎症や癌化を引き起こしてしまいます（どこか人間にも共通すると思いませんか？）。まさにこの適応力（生き物がさまざまな恒常性を保つこと）こそが生き物らしさの特徴の一つであるといえます。

図1　細胞内構造物

 

細胞の恒常性の話をする前に、まず細胞をほかの何かに例えてみましょう。例えば大学という組織は卒業と入学を繰り返しながら組織を構成する人を入れ替えつつ、組織としての機能を維持しています。我々を構成する部品も食事と排泄などを介して入れ替わりますが、体は恒常性（形状、体温、心？）を保っています。細胞の話に戻ると、細胞を構成する部品は分子（たんぱく質）です。したがって細胞内の部品交換のことを分子交換と呼びます。細胞にはさまざまな恒常性がありますが、我々は力学恒常性（張力を一定に保とうとする機能）に着目しています（図2）。つまり、細胞は分子交換を介して力学的に適応します。

図2　細胞内構造物の分子交換の模式図

この分子交換のメカニズムは何なのでしょうか？ 結論から言うとそれは非常に複雑です。ある分子は分子拡散支配的に分子交換します。ある分子は化学反応支配的に分子交換します。もちろんそれらの中間的・複合的現象も存在します。あるいはより機械的な現象が分子交換に寄与することもあります。例えば細胞内流動や変形です。私たちはこれまでこの複雑な生細胞内の分子交換を解明する手法を開発してきました。枠組みは工学的知見（数理モデルや数値計算）と生化学的な実験手法（遺伝子工学）や顕微鏡法を組み合わせたものです（詳細はSaito T. & Deguchi S., 2023, Journal of Biomechanical Science and Engineeringに掲載）。我々の方法を用いると、分子交換を可視化できるだけでなく、分子交換に含まれる個々の現象（拡散係数、反応速度、流速とひずみ）を一つ一つ計測することが可能です。例えば、細胞のどこがどれだけ変形し、どれくらいの速さで分子を入れ替えているかがわかります。

さて、ここまで細胞の（力学）恒常性と分子交換を人工物と対比しながら紹介させていただきました。繰り返しになりますが、細胞内は非常に複雑です。細胞内の現象を理論モデルなどで（狭い範囲で）一般化することも重要ですが、一方で個々の登場人物（分子）を生化学的に同定することも重要であると思います（橋をデザインすることと個々の部品を理解することの両方が重要なように）。このバランスを取ることも境界分野における研究の面白いところだと感じています。また、恒常性と分子交換は（大学を恒常性の例に出したように）我々の人間社会にも当てはめることができると思います。何か困難や問題に直面した時、必ずストレスがかかります。そのストレスに適応するためには、これまでの自分の考え方やルールを“入れ替える”必要があるかもしれません。逆にストレスに耐え切れず恒常性を維持できなくても、（細胞が分化や癌化するように）生きやすい新しい恒常性に移るような身勝手さも生き物らしさかもしれません（図3）。

図3　恒常性の模式図

最後になりますが、本研究を推し進めるうえで、さまざまな方々に多くご協力いただきました。この場をお借りして感謝申し上げます。

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＜正員＞

齋藤 匠

◎東北大学大学院　医工学研究科、Yale University, Department of Molecular Biophysics and Biochemistry　博士研究員

◎専門：機械工学、生物物理学、細胞力学