日本国立研究开发法人情报通信研究机构（NICT）岩城光宏主任研究员等人组成的研究团队与理化学研究所合作，以DNA为材料制作出了世界上最小的螺旋弹簧，并成功实现了对细胞施加的微小力的超高灵敏度测量。这是世界上首个能够以亚皮牛顿（皮牛顿为一万亿分之一牛顿）精度检测对细胞施加的噪声级微小力的大小和方向的测量技术。该项研究成果将极大地推动涉及生物力学信息处理机制的研究，例如，如果能够阐明目前尚不明确的超节能机械力在大脑和细胞中的信息处理机制，将有望开发出基于全新原理的计算机等。该成果已发表在7月3日的美国科学杂志《ACS Nano》上。
图1 以DNA为材料设计的世界上最小的蛋白质大小的螺旋弹簧示意图。可与各种分子连接，还可通过编程改变弹簧的硬度。（供图：信息通信研究机构（NICT））
人们知道生物能以比计算机少得多的能耗进行复杂的信息处理，并通过神经递质等化学分子和电相互交换信息，但近年来进一步发现，生物还能以机械力为信号进行信息交换。
由于噪声级的微小力也能以高灵敏度检测并进行力学信息处理，因此被认为有助于超节能的信息处理，但其机制目前尚不明确。
造成这种情况的原因之一是，对细胞感受到的微小力进行高灵敏度测量的技术严重不足。现有的测量技术存在无法准确捕捉微小力的时间变化，以及力的测量范围窄、无法以较高的时间分辨率同时获取力的大小和方向等信息。
在本次研究中，研究人员以DNA为材料，设计出了世界上最小的蛋白质大小的螺旋弹簧（纳米弹簧），研究人员将其放入细胞和玻璃基板之间，使两者连接起来，全球首次成功地以亚皮牛顿精度精密测量了对细胞施加的微小力的力学信息（大小和方向）。
在实验中，研究人员设计了直径为35nm（纳米）、长度为200～700nm的纳米弹簧，将一端与存在于细胞膜表面的整合素连接，另一端与细胞外部的玻璃基板连接。整合素是存在于细胞表面的蛋白质，通过直接与细胞外的胶原蛋白等结合来感知力学信息，起着向细胞内部的各种分子传递信息的作用。
当整合素和玻璃基板之间交换力学信息时，可以观察到纳米弹簧伸展或缩短，同时可以观察到伸展方向的变化。
此外，通过新开发的以纳米精度对这些变化进行精密图像分析的方法，可以同时测量力的大小和方向的时间变化。并且，通过实现纳米分辨率的测量，可以轻松地检测出包括噪声级别的微小力（～1皮牛顿）在内的动态变化。
原文：《科学新闻》 2023.07.21
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：ACS Nano
论文：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
