「アクチン3Dプリンター」の開発~細胞骨格の形成を光で操作する新技術~

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2025-08-26 理化学研究所

理化学研究所の研究チームは、細胞骨格を構成するアクチン分子を素材に、光照射によって3次元構造を自在に構築できる新技術「アクチン3Dプリンター」を開発した。人工脂質膜上に光遺伝学技術を用いてNPFを集積し、アクチンネットワークの密度を制御。これにより、アクチン結合タンパク質の機能がネットワーク密度に依存して変化することを明らかにした。特に、ミオシンは高密度ネットワークへの進入が妨げられ、コフィリンは進入可能だが分解活性が抑制されることを実証。本技術は細胞の変形機構解明や、生体親和性分子ロボット開発への応用が期待される。

「アクチン3Dプリンター」の開発~細胞骨格の形成を光で操作する新技術~
アクチンネットワークの「密度」で制御されるアクチン結合タンパク質の機能

<関連情報>

脂質二重膜上での光遺伝学的アクチンネットワーク構築により解明された、アクチン結合タンパク質のネットワーク密度依存性機能 Optogenetic actin network assembly on lipid bilayer uncovers the network density-dependent functions of actin-binding proteins

Kei Yamamoto & Makito Miyazaki
Nature Communications  Published:26 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-62653-6

Abstract

The actin cytoskeleton forms a meshwork that drives cellular deformation. Network properties, determined by density and actin-binding proteins, are crucial, yet how density governs protein penetration and dynamics remains unclear. Here, we report an in vitro optogenetic system, named OptoVCA, enabling Arp2/3 complex-mediated actin assembly on lipid membranes. By tuning illumination power, duration, and pattern, OptoVCA flexibly manipulates the density, thickness, and shape of the actin network. Taking these advantages, we examine how network density affects two actin-binding proteins: myosin and ADF/cofilin. We find that even modest increases in density strictly inhibit myosin filament penetration by steric hindrance. Penetrated myosin filaments generate directional actin flow in networks with density gradients. In contrast, ADF/cofilin accesses networks regardless of density, yet network disassembly is markedly reduced by increased density. Thus, OptoVCA reveals that network density differentially regulates actin-binding protein penetration and activity. These findings advance understanding of cell mechanics through precise, light-based manipulation of cytoskeletal structure.

生物化学工学
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