長い間、生命物質の形成は科学の大きな課題の 1 つでした。ツールが不足しているからではなく、生体組織が受動的な材料ではないためです。生体組織は成長し、再構成し、独自の力を生成します。 それらを形にしようとすることは、ある意味、独自のダイナミクスを持つ何かと交渉することと同じです。
今回、カタルーニャ生物工学研究所が率いる国際チームは、カタルーニャ工科大学、数値工学国際センター（CIMNE）、欧州分子生物学研究所と協力し、最近まで工学というよりSFに近いと思われていた一歩を踏み出した。それは、プログラムされた方法で形状を変えることができる生体組織を作成するというものだ。 前進、 に掲載されました 科学、 これは基本的なことを示しています。布地を外側から彫刻する必要はないということです。内部から整理するだけで十分です。
鍵は、セルの方向を制御するという一見単純なアイデアにあります。しかし、その単純さは欺瞞です。生体組織では、細胞はランダムに配置されているわけではありません。それらの多く、特に細長いものは、布地の繊維のように整列する傾向があります。この動作はネマティック秩序として知られており、材料物理学から借用した概念です。 ただし、その順序は決して完璧ではありません。場合によっては、特定の点で破損し、科学者がトポロジカル欠陥と呼ぶもの、つまり整列が乱れた小さな領域が発生します。これらの欠陥は小さな欠陥とは程遠く、力の中心、つまり組織が押されたり、収縮したり、折り畳まれたりする場所として機能します。
ここでイノベーションが生まれます。チームは、これらの欠陥を観察するだけでなく、欠陥がどこに現れるかを判断することにも成功しました。 「重要なのは、これらの欠陥がどこにあるのか、したがって組織内のどこに力が発生するのかを決定できることです。」と研究リーダーのポー・ギラマット氏は説明する。
これを達成するために、科学者たちは、まるで目に見えない地図を描くかのように、化学的微細パターンを備えた表面を設計しました。彼らは、細胞を引き寄せるタンパク質を使って細胞が接着する線を描き、その周囲を細胞が接着できない領域で囲んだ。 その結果、細胞はあたかも「振り付け」に従ったかのように、そのパターンに従って整列します。。 そして、その振り付けが重要です。なぜなら、Guillamat 氏が要約しているように、「細胞の向きが力を制御し、その力が 3 次元形状の生成を制御できるからです」。
決定的な実験はその後に行われた。組織が表面に付着したままである限り、それらの内部力は閉じ込められたかのように抑制されます。しかし、ギラマットのチームが彼を解放したとき（つまり、彼らが彼を連れ去ったとき） 予期せぬ、そして同時に非常に論理的なことが起こります。組織が変形します。。それは折り畳まれ、収縮し、新しい形をとります。ランダムではなく、事前にプログラムされたパターンに従います。
この類似点はほぼ国内のものです。 「伸縮性のあるシートを伸ばして端で固定したようなものです。 クランプしている間は変形しません。しかし、解放されると、内部の張力によって決定される新しい形状が採用されます」とギラマット氏は付け加えた。組織の場合、これらの張力は外部から来るのではなく、細胞自体の活動から来る。
この動作を理解して予測するために、チームは理論モデルとシミュレーションも開発しました。ここで、環境工学の専門家であるマリノ・アロヨ氏が主導する研究が活躍し、細胞の配向パターンと組織の最終形状との定量的な関係を確立することができました。 「私たちのモデルにより、細胞の配向が三次元の折り畳みを引き起こすメカニズムを特定することができました、とアロヨ氏は言います。そしてさらに、パターンと形状の間の定量的な関係も提供します。」
それは本質的には言語です。細胞組織を幾何学に変換する方法。この研究の共著者であるザビエル・トレパット氏にとって、この進歩には明確な意味がある。 細胞の向きを制御するだけで生体組織の形状を設計する「ここで重要な言葉は「デザイン」です。なぜなら、それは生物学の観察からそれを指示し始めることを意味するからです。
その影響は非常に大きいです。組織工学では、人工足場を必要とせずに三次元構造を作成でき、材料自体が組織化される可能性があります。バイオハイブリッドロボティクスでは、 アクチュエーターとして機能する生体組織のおかげで動くシステムへの扉が開かれます。 そして、スマートマテリアルのデザインにおいては、刺激に応じて形状（そしておそらくは機能）を変えることができる生きた表面の可能性を示唆しています。
「これらのシステムは、 これらは、プログラム可能な力と形状を生成する生きた材料と考えることができます。そしてそれは情報を統合し、インテリジェントに対応することもできる – とギラマット氏は結論づけています。 「これは、細胞の配向パターンが複雑な組織の仕組みや進化にどのような影響を与えるかを理解するのに最適なツールです。」
結局のところ、この研究が示唆しているのは、焦点の変化である。何十年もの間、工学は生物に形を与えることを試みてきました。ここで、何か違うことを学び始めましょう。 彼女が自分自身を形作ることができるように、彼女に指示をささやく方法。
