MITの工学者と生物学者が協力し、新たな「生きた素材」を設計した。これは、特定の化学物質に触れると発光するよう遺伝子操作された生細胞を注入した、丈夫で伸縮性があり、生体適合性を持つハイドロゲルシートだ。
今週、米国科学アカデミー紀要に掲載された論文で、研究者らは、この新素材が環境中や人体内の化学物質を感知する可能性を示した。
チームは、細胞を組み込んだハイドロゲルを使ってさまざまなウェアラブルセンサーを作製した。化学物質で汚染された表面に触れると指先が光るゴム手袋や、人の皮膚にある化学物質に押し当てると発光する包帯などだ。
MITで機械工学を教えるロバート・N・ノイス・キャリア開発准教授の趙宣和は、同グループの生きた素材の設計は、犯罪現場の調査や法科学から汚染監視、医療診断まで、幅広い用途で他の化学物質や汚染物質を感知できるよう応用できる可能性があると述べる。
「この設計なら、さまざまな種類の細菌をデバイスに入れて、環境中の毒素や皮膚上の疾患を知らせることができます」と、生物工学および電気工学・コンピューターサイエンスの准教授ティモシー・ルーは語る。「生きた素材やデバイスの可能性を実証しています。」
論文の共著者は、大学院生のXinyue Liu、Tzu-Chieh Tang、Eleonore Tham、Hyunwoo Yuk、Shaoting Linである。
素材に命を吹き込む
ルーとMIT合成生物学グループの同僚たちは、生物回路の作製を専門としている。生きた細胞の生物学的な要素を遺伝子操作し、たとえば大腸菌などを、電気回路の論理ステップのように順序立てて協調して働くようにする。こうして科学者は、生細胞を再設計して特定の機能を担わせることができる。ウイルスや毒素の存在を感知し、知らせる能力もその一つだ。
しかし、こうした新たにプログラムされた細胞の多くは、これまでその場で、つまりペトリ皿の中でしか実証されていない。そこでは科学者が細胞の生存と活動に必要な栄養レベルを慎重に管理できるが、こうした環境を合成素材で再現するのは極めて難しいことが分かっている。
「生きた素材を作るうえでの課題は、生細胞をどう維持し、デバイス内で生存可能かつ機能する状態に保つかです」とルーは言う。「細胞には湿度と栄養が必要で、酸素を必要とするものもあります。第二の課題は、細胞が素材の外に逃げ出さないようにすることです。」
こうした課題を回避するため、遺伝子操作した細胞から凍結乾燥した化学抽出物を取り出し、紙に組み込んで低コストのウイルス検出用診断ストリップを作った研究者もいる。しかしルーによると、抽出物は生細胞とは異なる。生細胞はより長期間にわたって機能を維持でき、病原体の検出感度も高い可能性がある。
別の研究グループは、心筋細胞を薄いゴム膜に播種し、柔らかな「生きた」アクチュエーター、つまりロボットを作製している。しかし、膜を繰り返し曲げるとひびが入ることがあり、生細胞が漏れ出すおそれがある。
細胞を宿す、しなやかな基盤
MITソフトアクティブマテリアル研究室の趙のグループは、生細胞を宿すのに理想的とみられる素材を開発した。過去数年にわたり、同グループはポリマーと水を混ぜた、丈夫で高い伸縮性と生体適合性を持つハイドロゲルのさまざまな配合を考案してきた。最新の設計では水分が最大95％を占めており、趙とルーは、生細胞の維持に適した環境になりうると気づいた。この素材は、繰り返し伸ばしたり引っ張ったりしてもひび割れにくい。この特性は、素材の中に細胞を閉じ込めるのに役立つ可能性がある。
2つのグループは協力し、ルーが遺伝子操作した細菌細胞を趙のハイドロゲルシートに組み込んだ。まず、ハイドロゲルの層を作製し、3Dプリントとマイクロモールディングの技術で層の中に細い流路を形成した。次に、酸素が通るだけの多孔性を持つエラストマー、つまりゴムの層にハイドロゲルを接合した。そして、大腸菌の細胞をハイドロゲルの流路に注入した。細胞には、ハイドロゲルを通過する特定の化学物質に接触すると蛍光を発して光るようプログラムした。この実験で使われたのは、DAPGとして知られる天然化合物だった。
その後、研究者らはハイドロゲルとエラストマーの素材を栄養液に浸した。栄養液はハイドロゲル全体に染み込み、細菌細胞を数日間、生きた活動状態に保つのに役立った。
素材の用途の可能性を示すため、研究者らはまず、独立した細い流路を4本備え、それぞれに異なる化学化合物に反応して緑色に光るよう設計した細菌を含むシートを作製した。各流路は、それぞれに対応する化学物質にさらされると、確実に発光することが確認された。
次にチームは、素材を包帯、すなわち「生きたパッチ」に加工した。ラムノースに反応する細菌を含む流路をパターン状に配置したものだ。研究者らはボランティアの手首を、ラムノースに浸した綿球で拭き、その上にハイドロゲルパッチを貼った。パッチは化学物質に反応して即座に光った。
最後に研究者らは、指先に渦巻き状の流路を設け、それぞれに異なる化学物質を感知する細菌細胞を入れた、ハイドロゲルとエラストマー製の手袋を作製した。各指先は、対応する化合物に浸した綿球をつまむと光った。
同グループは、他の研究者が同様の生きた素材やデバイスを設計する際の指針となる理論モデルも開発した。
「このモデルを使えば、生きたデバイスをより効率的に設計できます」と趙は言う。「使用するハイドロゲル層の厚さや流路間の距離、流路の配置方法、使用する細菌の量などが分かります。」
趙は将来、化学物質を感知するハイドロゲルを内側に配した手袋やゴム底、さらには感染や疾患の兆候を検知できる包帯、パッチ、衣服など、生きた素材を使った製品が登場すると展望している。
この研究は、米国海軍研究局、米国国立科学財団、米国国立衛生研究所の一部助成を受けた。
