人工細胞の”硬さ”を自在に設計 ──脂質が伸びにくさを、DNAナノ構造が曲がりにくさを制御──

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2026-06-19 東京大学

東京大学の研究グループは、人工細胞の変形しにくさを「伸びにくさ」と「曲がりにくさ」に分けて定量評価できる新たな解析手法を開発し、それぞれを異なる分子で独立に制御できることを明らかにした。脂質膜で覆われた人工細胞モデルをマイクロピペット吸引法で変形させ、膜の面積伸張弾性率と曲げ関連項を同時に考慮する解析モデルを構築した結果、従来説明が難しかった非線形な変形応答を高精度で再現することに成功した。解析の結果、脂質分子の形状は膜の「伸びにくさ」を主に決定し、逆円錐型脂質では変形抵抗が高まることが判明した。一方、膜上に形成した三次元DNAナノネットワークは足場として機能し、「曲がりにくさ」を大幅に向上させた。これにより、人工細胞の硬さを単一指標ではなく、伸張特性と曲げ特性を個別に設計できることが示された。本成果は、人工細胞や薬物送達カプセル、機能性ソフトマテリアルの力学特性を用途に応じて自在に設計する新たな分子設計指針となることが期待される。

人工細胞の”硬さ”を自在に設計 ──脂質が伸びにくさを、DNAナノ構造が曲がりにくさを制御──
脂質分子の形とDNAナノ構造の次元性により、人工細胞の硬さを設計する

<関連情報>

合成細胞の非線形界面力学のプログラミング:脂質の幾何学とDNAナノ構造 Programming Nonlinear Interfacial Mechanics of Synthetic Cells: Lipid Geometry and DNA Nanostructures

Kazutoshi Masuda, Miho Yanagisawa
Small Science  Published: 16 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smsc.70321

Abstract

Soft interfaces formed by lipid membranes are fundamental to living cells, synthetic cells, and membrane-based soft materials. However, a quantitative framework linking molecular organization with nonlinear interfacial mechanics remains elusive. Here, we establish an analytical framework that captures the nonlinear elastic response of lipid-membrane-coated synthetic cells under micropipette aspiration. Incorporating both area stretching and curvature bending enables the model to quantitatively reproduce the complete pressure-displacement response within the small-deformation regime. This approach reduces interfacial mechanics to two parameters: the in-plane area-stretching modulus and an out-of-plane bending-related term. Using this unified framework, we experimentally demonstrate that nonlinear interfacial mechanics can be programmed by altering the molecular geometry and effective dimensionality of adsorbed elements. The lipid molecular shape and curvature-dependent packing regulate in-plane stiffness, whereas DNA nanostructures, the other adsorbed element, introduce an orthogonal control axis via dimensionality: three-dimensional network architectures markedly reinforce bending resistance. Together, these results establish a general molecular design principle for programming interfacial mechanics and provide a quantitative foundation for engineering mechanically tunable synthetic cells and soft interfaces.

細胞遺伝子工学
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