日本鳥取大學工學部化學生物系學科的稻葉央助教和松浦和則教授等人的研究團隊，與北海道大學研究生院理學研究院的角五彰副教授和佐田和己教授等人的研究團隊合作，透過向蛋白質奈米管狀聚集體「微管」的内部導入磁性奈米顆粒，全球首次成功製作了能在磁鐵影響下進行排列的「磁性微管」（圖1）。
圖1：研究概念圖。
透過將鈷鉑（CoPt）奈米顆粒導入微管中，微管會沿着磁鐵磁場排列。
已知自然界存在活體內有磁性奈米顆粒的趨磁細菌，會沿着地磁場運動。業界雖然在開發模仿趨磁細菌的磁性材料，但難以兼顧「磁場響應性」和「運動性」。本次研究着眼於具有運動性的蛋白質奈米管——微管，利用自主開發的可與微管内部結合的Tau衍生肽TP，成功地向微管内部導入了具有磁性的鈷鉑（CoPt）奈米顆粒。研究發現，含CoPt奈米顆粒的微管會對百元店裏銷售的釹磁鐵作出響應，進行非常有規律的排列，並且微管本來的運動性不會下降，而是會強化。該成果有望作爲由微管構成的超小型器件和分子機器人的運動方向控制法使用。
研究背景
天然存在的趨磁細菌會將活體內的大量磁性奈米顆粒的排列（磁小體）作爲指南針來確定運動方向（圖2）。如果能實施感應這種磁場進行運動的磁性材料，則有望作爲極小的分子器件和分子機器人使用。不過，兼顧「磁場響應性」和「運動性」的材料極難開發。細胞骨架之一的微管是已知會在固定馬達蛋白的基底層上運動的蛋白質奈米管，具有「運動性」，但不具備「磁場響應性」。此前有在微管外部表面修飾磁性奈米顆粒的開發案例，但存在一大課題，即與表面結合的奈米顆粒會抑制馬達蛋白與微管之間的相輔作用，從而導致微管的運動速度顯著降低。研究團隊認爲，如果能像趨磁細菌那樣向「微管内部」導入磁性奈米顆粒，就可以兼具「磁場響應性」和「運動性」。因此，本研究利用自主開發的微管内部結合肽，全球首次成功製作了内含磁性奈米顆粒的微管，並且發現，這種微管會響應磁鐵進行有序排列，而且運動性強化。
圖2：趨磁細菌及其沿着地磁場的運動
研究内容
研究團隊首先連接與微管内部結合的Tau衍生肽TP和促進磁性奈米顆粒——CoPt奈米顆粒形成的肽，合成CBP-TP，並與利用紅色螢光染料標記的微管蛋白（微管的構成成分）復合。然後利用2種方法製作了含CoPt奈米顆粒的微管（圖3a）。
Before法首先加入Co離子和Pt離子，然後加入還原劑硼氫化鈉（NaBH4），由此在微管蛋白上合成CoPt奈米顆粒，之後添加GTP類比GMPCPP，製作微管。而"After"法首先加入GMPCPP製作微管，然後在微管内部合成CoPt奈米顆粒。利用穿透電子顯微術（TEM）觀察應答，利用"Before"法制作的微管，CoPt奈米顆粒在内部孤立存在，利用"After"法制作的微管，CoPt奈米顆粒在内部部分連續排列（圖3b）。
圖3：（a）含CoPt奈米顆粒的微管製作及（b）穿透電子顯微術（TEM）影像。
白色箭頭的黑點表示CoPt奈米顆粒。
研究團隊在存在磁通密度爲0.37T（特士拉）的市售釹磁鐵的狀態下，將獲得的内含CoPt奈米顆粒的微管固定到基底層上發現，利用"After"法制作的微管沿着磁場的方向（水平方向）非常有規律地排列（圖4）。一般來說，要想排列磁性材料，需要利用10T以上的磁場，微管以如此微弱的磁場排列是一個非常有趣的結果。
圖4
（a）在存在釹磁鐵的狀態下排列含CoPt奈米顆粒的微管。
（b）上：利用"After"法制作的含CoPt奈米顆粒的微管分別在有磁場和無磁場的情況下拍攝的共聚焦雷射螢光顯微鏡影像。箭頭表示磁場的方向，可以看出微管沿着磁場的方向排列。
下：微管水平方向的角度度數分佈。
另一方面，利用"Before"法制作的微管以及在外部表面修飾了CoPt奈米顆粒的微管則沒有表現出磁場響應性。這表明，利用"After"法制作的微管，CoPt奈米顆粒在其内部的連續排列像奈米線一樣工作，提高了磁場響應性。可以說，這種特性與天然的趨磁細菌相似。另外，解析微管在固定分子馬達的基底層上的運動速度發現，外部表面修飾CoPt奈米顆粒時，速率降低，而利用"After"法制作的内含CoPt奈米顆粒的微管與普通微管相比，速度增加1.2倍。據推測，這是因爲透過在微管内部形成CoPt奈米顆粒，微管的剛性強化。
未來展望
本研究透過模仿趨磁細菌，利用肽在微管内部形成CoPt奈米顆粒，成功製作了兼顧「磁場響應性」和「運動性」的磁性微管。透過用磁場控制極小空間内的微管配向和運動，有望應用於超小型器件和分子機器人。特別是，如果能像趨磁細菌那樣透過磁場控制微管的運動方向，就有望向所需位置有效運送分子及控制微管的集體運動等。
論文資訊
題目：Magnetic Force-Induced Alignment of Microtubules by Encapsulation of CoPt Nanoparticles using a Tau-Derived Peptide
期刊：《Nano Letters》
DOI：10.1021/acs.nanolett.0c01573
文：JST客觀日本編輯部
