Nature’s 3Dプリンタ:剛毛ワームが剛毛を少しずつ形成

September, 12, 2024, Wien--ウィーン大学(University of Vienna)のマックス・ペルツ研究所(Max Perutz Labs)の分子生物学者Florian Raibleをリーダーとする新しい学際的研究は、海産環形動物ワーム(Platynereis dumerilii)の剛毛に関する興味深い洞察を発表した。
特殊な細胞、いわゆる鎖芽細胞は、剛毛の形成を制御する。その動作モードは、工業用3Dプリンタの動作モードと驚くほど似ている。このプロジェクトは、ヘルシンキ大学、ウィーン工科大学、ブルノのマサリク大学の研究者との共同研究。この研究は最近、有名な学術誌Nature Communicationsに掲載された。

キチン(chitin)は、昆虫の外骨格と、海産環形動物ワームPlatynereis dumeriliiなどの剛毛ワームの剛毛の両方の主要な構築材料である。しかし、剛毛虫はやや柔らかいキチン(いわゆるベータキチン)を持っており、生物医学アプリケーションには特に興味深いものである。剛毛により、ワームは水中を動き回ることができる。キチンがどのようにして明確な剛毛に形成されるのかは、今のところ謎のままである。
今回の研究は、この特殊な生合成に関する興味深い洞察をも提供している。Florian Raibleは、「このプロセスは、毛の先端から始まり、次に中央部、そして最後に毛の根元へと続きく。完成したパーツは、ボディの奥からどんどん押し出されていく。この開発プロセスでは、重要な機能ユニットが次々と作られていくので、3Dプリンティングと似ている」と説明している。

このようなプロセスをよりよく理解することは、将来の医療製品の開発や天然分解性材料の製造にも可能性を秘めている。例えば、イカの背殻由来のβ-キチンは、現在、特に忍容性の高い創傷被覆材の製造原料として使用されている。「将来的には、環形動物細胞を使ってこの物質を製造することも可能になる可能性がある」(Raible)。

これの正確な生物学的背景:いわゆるケトブラスト(鎖芽細胞)はこのプロセスで中心的な役割を果たす。ケトプラストは、長い表面構造を持つ特殊な細胞、いわゆる微絨毛である。これらの微絨毛には特定の酵素が潜んでおり、剛毛が最終的に作られる材料であるキチンの形成に関与していることが研究で示されている。研究チームの結果は、幾何学的に配置された微絨毛を特徴とする動的細胞表面を示している。

個々の微絨毛は、3Dプリンタのノズルと同様の機能を持っている。Florian Raibleは、「われわれの分析は、キチンがケトブラスト細胞の個々の微絨毛によって産生されることを示唆している。したがって、これらの微絨毛の数と形状の経時的、正確な変化は、サブミクロンの範囲まで正確な剛毛の先端の個々の歯など、個々の剛毛の幾何学的構造を形作るための鍵となる。」剛毛は通常、わずか2日以内に発達し、様々な形をとることが可能である。ワームの発達段階に応じて、それらは短くなったり長くなったり、より尖ったり平らになったりする。

TU Wienやブルノ大学のイメージング専門家との現地協力に加え、ヘルシンキ大学のJokitalo研究室との協力は、TU Wien研究者にとって大きなメリットとなった。研究チームは、シリアルブロックフェイス走査型電子顕微鏡(SBF-SEM)の専門知識を使用して、剛毛形成プロセスにおける微絨毛の配置を調査し、剛毛形成を合成するための3Dモデルを提案した。筆頭著者、ウィーン大学のKyojiro Ikedaは、「標準的な電子線トモグラフィは、サンプルの切断や電子顕微鏡での検査を手作業で行わなければならないため、非常に手間がかかる。しかし、このアプローチでは、何千ものレイヤーの解析を確実に自動化することができる」と説明している。

Raibleグループは、現在、剛毛の生合成についてさらに詳細を明らかにするために、観察の解像度の向上に取り組んでいる。