日本國立研究開發法人情報通信研究機構（NICT）岩城光宏主任研究員等人組成的研究團隊與理化學研究所合作，以DNA爲材料製作出了世界上最小的螺旋彈簧，併成功實施了對細胞施加的微小力的超高靈敏度測量。這是世界上首個能夠以亞皮牛頓（皮牛頓爲一萬億分之一牛頓）精度檢測對細胞施加的噪音級微小力的大小和方向的測量技術。該項研究成果將極大地推動涉及生物力學資訊處理機制的研究，例如，如果能夠闡明目前尚不明確的超節能機械力在大腦和細胞中的資訊處理機制，將有望開發出基於全新原理的電腦等。該成果已發表在7月3日的美國科學雜誌《ACS Nano》上。
圖1 以DNA爲材料設計的世界上最小的蛋白質大小的螺旋彈簧示意圖。可與各種分子連接，還可透過程式設計改變彈簧的硬度。（供圖：資訊通訊研究機構（NICT））
人們知道生物能以比電腦少得多的能耗進行復雜的資訊處理，並透過神經遞質等化學分子和電相互交換資訊，但近年來進一步發現，生物還能以機械力爲訊號進行資訊交換。
由於噪音級的微小力也能以高靈敏度檢測並進行力學資訊處理，因此被認爲有助於超節能的資訊處理，但其機制目前尚不明確。
造成這種情況的終極因數之一是，對細胞感受到的微小力進行高靈敏度測量的技術嚴重不足。現有的測量技術存在無法準確捕捉微小力的時間變化，以及力的測定範圍窄、無法以較高的時間解析度同時獲取力的大小和方向等資訊。
在本次研究中，研究人員以DNA爲材料，設計出了世界上最小的蛋白質大小的螺旋彈簧（奈米彈簧），研究人員將其放入細胞和玻璃基底層之間，使兩者連接起來，全球首次成功地以亞皮牛頓精度精密測量了對細胞施加的微小力的力學資訊（大小和方向）。
在實驗中，研究人員設計了直徑爲35nm（奈米）、長度爲200～700nm的奈米彈簧，將一端與存在於細胞膜表面的整合素連接，另一端與細胞外部的玻璃基底層連接。整合素是存在於細胞表面的蛋白質，透過直接與細胞外的膠原蛋白等結合來感知力學資訊，起着向細胞内部的各種分子傳遞資訊的作用。
當整合素和玻璃基底層之間交換力學資訊時，可以觀察到奈米彈簧伸展或縮短，同時可以觀察到伸展方向的變化。
此外，透過新開發的以奈米精度對這些變化進行精密影像分析的方法，可以同時測量力的大小和方向的時間變化。並且，透過實施奈米解析度的測量，可以輕鬆地檢測出包括噪音級別的微小力（～1皮牛頓）在内的動態變化。
原文：《科學新聞》 2023.07.21
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：ACS Nano
論文：A programmable DNA origami nanospring that reports dynamics of single integrin motion, force magnitude and force orientation in living cells
DOI：10.1021/acsnano.2c12545
