神経系のように動作する化学ネットワークを発見(Hitting a Nerve)

2025-10-20 ピッツバーグ大学

ピッツバーグ大学スウォンソン工学部の研究チームは、化学反応を直接機械的な動きに変換する「化学‐機械ネットワーク」を開発した。研究では、酵素でコーティングした微小ビーズを柔軟なリンクで結び、化学反応が波のように伝わることで流体を駆動し、構造全体が自律的に変形・運動する仕組みを構築。従来の電子回路や外部電源を必要とせず、化学反応のみで動作する点が特徴である。この設計は、生物の神経回路や筋収縮に見られる「化学信号から機械応答への変換」を模倣しており、自己駆動型ソフトマテリアルやバイオインスパイアド・ロボティクス、医療用マイクロデバイスなどへの応用が期待される。研究はPNAS Nexus誌に掲載され、化学、流体、構造の相互作用を統合した新たなメカニズムとして注目されている。

神経系のように動作する化学ネットワークを発見(Hitting a Nerve)

<関連情報>

反応ネットワークにおける化学シグナル伝達は対応する機械的インパルスを生成する Chemical signaling in reaction networks generates corresponding mechanical impulses

Oleg E Shklyaev, Anna C Balazs
PNAS Nexus  Published:16 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgaf330

Abstract

Chemical reaction networks (CRN) in the body are directed pathways that transmit reagents to reactive sites and trigger chemical processes, which ultimately instigate the appropriate physical activity. Typically, models for CRNs do not describe the coupling among chemistry, hydrodynamics and fluid-structure interactions that inherently arise in fluids. Herein, we develop a model that describes the above interrelated physicochemical behavior and show that chemical transport in a CRN spontaneously gives rise to transduction of chemistry into mechanical work, to form a complementary chemo-mechanical network (CMN). To simulate CRNs, we use the repressilator model, a reaction pathway involving biomimetic feedback loops. The encompassing material system is formed from an ordered array of enzyme-coated beads that are interlinked to form a flexible network. Coupling of chemistry and hydrodynamics occurs through the solutal buoyancy mechanism where variations in chemical concentration drive the fluid motion that deforms the flexible network of beads. Consequently, this system displays chemo-mechanical transduction as chemical signals in the CRN are converted to mechanical action. Using this model, we design materials systems encompassing CRNs that spontaneously generate CMNs, which perform the mechanical work of transporting particles or morphing the structure of the elastic network. The propagation of chemical signals along CMN that lead to mechanical actions mimic a nervous system, which transmits signals that instruct a responsive musculature.

1700応用理学一般
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