動く分子の群れが生み出す力の計測に成功―アクティブマター機能設計への基盤を構築―

2026-05-07 京都大学

京都大学の研究チームは、自律的に動く分子集団「アクティブマター」が生み出す力を高精度で計測することに成功した。アクティブマターは、細胞骨格や細菌群、人工分子機械などに見られる、外部からエネルギーを取り込みながら自発運動する系であり、生命現象や次世代材料開発への応用が期待されている。しかし、動的かつ非平衡状態にあるため、内部で発生する力を定量的に測定することは難しかった。研究では、分子モーターが集団運動する際に周囲へ与える応力や流動を解析する新手法を開発し、分子群が協調運動によってどのような力学特性を示すかを明らかにした。これにより、アクティブマターのエネルギー変換や自己組織化メカニズムの理解が進展した。成果は、ソフトロボティクス、自己修復材料、人工細胞設計などへの応用が期待され、非平衡物理学や生体模倣材料研究の基盤技術となる可能性がある。

動く分子の群れが生み出す力の計測に成功―アクティブマター機能設計への基盤を構築―
アクティブマター素子の群れが生み出す力の計測

<関連情報>

磁気ピンセットを用いたキネシン上で駆動する微小管集合体の力のスケーリング評価 Linear Force Scaling in Kinesin-Driven Microtubule Swarms Revealed by Electromagnetic Tweezers

Mst. Rubaya Rashid,Mousumi Akter,Arif Md. Rashedul Kabir,Kazuki Sada,Tetsuya Hiraiwa,Akinori Kuzuya,Ibuki Kawamata,Marie Tani,and Akira Kakugo
ACS Nano  Published: April 30, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20263

Abstract

Scalability refers to the ability of a system to enhance performance with increasing size. This ability is a defining feature of natural swarms such as ant and bee colonies. Extending this principle to artificial active matter has motivated the creation of molecular swarms composed of myosin-driven actin filaments and kinesin-driven microtubules (MTs). While these swarms exhibit cooperative transport behaviors that surpass the abilities of individual filaments, their collective force generation has remained unquantified. Here, we introduce a straightforward electromagnetic tweezer approach to directly measure the forces generated by MT swarms propelled by surface-bound kinesin motors. We find that force output changes with swarm size, demonstrating quantitative scalability characterized by a linear dependence of collective force on the inferred number of kinesin motors, linking collective organization to mechanical performance. These results characterize the scaling of collective force with swarm size in kinesin-driven MT swarms and highlight the link between collective organization and mechanical performance.

1701物理及び化学
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