まるで魔法のように、たった一つの細胞がリズミカルに動き出し、生命の形が紡ぎ出されていく――そんな神秘的なプロセスの一端を、光を使って自在にコントロールできるとしたらどうでしょう？マサチューセッツ工科大学（MIT）の科学者たちが、光をスイッチにして細胞の初期段階の「ダンス」を操る画期的な方法を開発しました。この技術は、将来、傷ついた組織を修復したり、必要な場所に正確に薬を届けたりする、まったく新しい医療への道を開くかもしれません。この研究は、創傷治癒や薬物送達のための、光で活性化する合成細胞の設計を可能にするかもしれません。
生命は、単一の細胞の動きとともに形作られます。特定のタンパク質や酵素からのシグナルに応答して、細胞は動き始め、振動し、収縮を引き起こし、くびれ、最終的には分裂に至ります。娘細胞が世代を超えてそれに続くと、それらは成長し、分化し、最終的には完全に形成された生物へと配置されます。今回、マサチューセッツ工科大学の科学者たちは、光を使って、単一細胞が発生の最も初期の段階でどのように揺れ動き、移動するかを制御しました。研究チームは、科学者が細胞の成長と発生を理解するための古典的なモデルとして長年使用してきた生物であるヒトデが産生する卵細胞の動きを研究しました。研究者たちは、ヒトデ卵細胞内で一連の動きを引き起こす重要な酵素に焦点を当てました。彼らは、同じ酵素の光感受性バージョンを遺伝子操作で設計し、それを卵細胞に注入し、その後、異なる光のパターンで細胞を刺激しました。
その結果、光が酵素を効果的に活性化し、それが細胞を予測可能なパターンで揺れ動かすことを発見しました。例えば、科学者たちは、照射する光のパターンに応じて、細胞に小さなくびれや広範囲な収縮を示させることができました。細胞の周りの特定の部分に光を当てることで、細胞の形を円形から四角形に引き伸ばすことさえ可能でした。
彼らの研究成果は、2025年3月24日付の科学雑誌「Nature Physics」に掲載された論文「Light-Induced Cortical Excitability Reveals Programmable Shape Dynamics in Starfish Oocytes（光誘起性皮質興奮性が明らかにするヒトデ卵母細胞におけるプログラム可能な形状ダイナミクス）」で発表され、科学者たちに細胞発生の初期段階における細胞の形状を制御するための新しい光学的ツールを提供します。彼らが構想するように、このようなツールは、光シグナルに応答して収縮し、傷口を閉じるのを助ける治療用の「パッチ」細胞や、体内の特定の場所で照射された場合にのみ内容物を放出する薬物送達用の「キャリア」細胞など、合成細胞の設計を導く可能性があります。全体として、研究者たちは、彼らの発見を、単一細胞から生命がどのように形作られるかを探る新しい方法と捉えています。
「光活性化スイッチがリアルタイムで細胞を再形成する方法を明らかにすることで、私たちは生命システムがどのように自己組織化し、形を進化させるかについての基本的な設計原理を解き明かしています」と、この研究のシニアオーサーであり、MITの物理学准教授であるニクタ・ファクリ博士（Nikta Fakhri, PhD）は述べています。「これらのツールの力は、成長と発生のこれらすべてのプロセスを解読し、自然がそれをどのように行っているかを理解するのに役立つということです。」
この研究のMITの著者には、筆頭著者のジンフイ・リウ氏（Jinghui Liu）、ユチェン・チャオ氏（Yu-Chen Chao）、ツァー・ハン・タン氏（Tzer Han Tan）が含まれます。また、ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンのトム・バーカート氏（Tom Burkart）、アレクサンダー・ツィープケ氏（Alexander Ziepke）、エルヴィン・フレイ氏（Erwin Frey）、ザールラント大学のジョン・ラインハルト氏（John Reinhard）、ホワイトヘッド生物医学研究所のS・ザカリー・スワーツ氏（S. Zachary Swartz）も共著者として名を連ねています。
細胞の回路
ファクリ博士の研究グループは、細胞の成長と発生を駆動する物理的ダイナミクスを研究しています。彼女は特に対称性と、細胞が成長し分裂する際にどのように対称性を維持したり破ったりするかを支配するプロセスに関心を持っています。彼女によると、五放射相称のヒトデは、成長、対称性、初期発生といった問題を研究する上で理想的な生物だと言います。
「ヒトデは非常に興味深いシステムです。なぜなら、対称的な細胞から始まり、初期段階では左右相称の幼生になり、その後、五放射相称の成体へと発達するからです」とファクリ博士は言います。「ですから、その過程で、細胞がどのように組織化されるべきかを伝える多くのシグナル伝達プロセスが起こるのです。」
科学者たちは長年にわたり、ヒトデとその様々な発生段階を研究してきました。多くの発見の中でも、研究者たちはヒトデ卵細胞内に、その動きと形状を制御する重要な「回路」を発見しました。この回路には、細胞の細胞質内を自然に循環するグアニンヌクレオチド交換因子（GEF: Guanine nucleotide exchange factor）という酵素が関与しています。この酵素が活性化されると、細胞の力学を調節するために不可欠であることが知られているRhoタンパク質と呼ばれるタンパク質に変化を誘発します。
GEF酵素がRhoタンパク質を刺激すると、タンパク質は本質的に自由に浮遊している状態から、タンパク質を細胞膜に結合させる状態へと切り替わります。この膜結合状態では、タンパク質は次に、膜全体に糸状に広がり、その後収縮する微細な筋肉のような線維の成長を引き起こし、細胞が収縮して動くことを可能にします。
以前の研究で、ファクリ博士のグループは、細胞内のGEF酵素の濃度を変えることで細胞の動きを操作できることを示しました。細胞に導入する酵素が多いほど、細胞はより多くの収縮を示すのです。
「この全体のアイデアから、この回路をハッキングして、単に細胞の動きのパターンを変えるだけでなく、望ましい機械的応答を得ることが可能かどうかを考えるようになりました」とファクリ博士は言います。
光とアクション
細胞の動きを精密に操作するために、チームは光遺伝学に注目しました。これは、細胞やタンパク質、酵素などの細胞構成要素を遺伝子操作し、光に応答して活性化するようにするアプローチです。
確立された光遺伝学技術を用いて、研究者たちはGEF酵素の光感受性バージョンを開発しました。この操作された酵素から、彼らはそのメッセンジャーRNA、つまり本質的には酵素を構築するための遺伝的青写真を分離しました。次に、この青写真を、チームが単一のヒトデの卵巣から採取した卵細胞に注入しました。卵巣は数百万もの未受精卵を保持できます。新しいmRNAを注入された細胞は、その後、光感受性のGEF酵素を自ら産生し始めました。
実験では、研究者たちは酵素を注入した各卵細胞を顕微鏡下に置き、細胞の周辺の異なる点から異なるパターンの光を細胞に照射しました。彼らは、その応答としての細胞の動きをビデオで撮影しました。
特定の点に光を当てると、GEF酵素が活性化され、光がターゲットとした部位にRhoタンパク質が集まることを発見しました。そこで、タンパク質は特徴的な筋肉様線維のカスケード反応を引き起こし、光で刺激された同じ場所で細胞を引っ張ったり、くびれさせたりしました。まるで操り人形の糸を引くかのように、彼らは細胞の動きを制御し、例えば、それを四角形を含む様々な形に変形させることができました。
驚くべきことに、彼らはまた、酵素濃度がある閾値を超えると、一点に光を当てるだけで細胞が広範囲な収縮を起こすことを刺激できることも発見しました。
「私たちは、このRho-GEF回路が興奮性システムであり、小さくタイミングの良い刺激が、大きく全か無かの応答を引き起こす可能性があることに気づきました」とファクリ博士は言います。「したがって、細胞全体を照らすことも、細胞上のごく小さな場所に光を当てることもできます。そうすることで、その領域に十分な酵素が集まり、システムが自ら収縮したりくびれたりするためのきっかけを得るのです。」
研究者たちは観察結果をまとめ、光でどのように刺激されるかに応じて細胞の形状がどのように変化するかを予測するための理論的枠組みを導き出しました。ファクリ博士によると、この枠組みは、「細胞の再構築の中心にある『興奮性』への窓を開くものであり、これは胚発生や創傷治癒における基本的なプロセスです」とのことです。
彼女はさらに、「この研究は『プログラム可能な』合成細胞を設計するための青写真を提供し、研究者が将来の生物医学的応用のために意のままに形状変化を組織化できるようにするものです」と付け加えています。
この投稿は、MIT Newsのジェニファー・チュー氏（Jennifer Chu）によって書かれたリリースに基づいています。
