サンゴ礁を絶滅から救うロボットLarvalBotはサンゴの幼生を何百万も海中に散布する

世界のサンゴ礁は今でも、徐々に死滅が進行している。それは気候変動という現実を重苦しく想起させるが、しかしそれは、人間の努力によって押し戻すことも可能だ。環境保護活動家たちがそのために手に入れた新しいツールLarvalBot〔幼生ロボット〕は、老いたるサンゴを健康な新しいポリプ(polyps, 個虫)で置き換えていく努力を、大幅に加速する水中ロボットだ。

このロボットの原型は、2015年のプロトタイプCOTSbotで、サンゴの敵オニヒトデ(crown of thorns starfish, COTS)を自力で見つけて破壊する…それが名前の由来。それをその後クイーンズランド工科大学(QUT)のチームが改良し、そのサンゴ狩猟者を殺すロボットはRangerBotと呼ばれた。

しかし、侵略的なファウナを探してサンゴ礁を安全に航行しモニタするその同じシステムが、これらの消えゆくエコシステムをもっと直接に助けることができるのだ。

グレートバリアリーフ(Great Barrier Reef)のサンゴは毎年、クイーンズランド北部沖合の海を大量の卵子と精子で満たすという、一大イベントを展開する。サザンクロス大学の研究者たちは長年、それらの卵子と精子から新世代のサンゴを養殖する方法を研究していた。彼らは捕獲した卵子と精子を海に浮く囲いに隔離し、ほぼ一週間でサンゴの健康な赤ちゃんたちを孵化することに成功した(サンゴの赤ちゃん(coral babies)はぼくがひねり出した言葉ではないが、でも好きだね)。そしてそれらの赤ちゃんサンゴを、絶滅寸前のサンゴ礁に注意深く移植した。

LarvalBotは、この最後の段階で仕事をする。

QUTのMatthew Dunbabinがニューズリリースでこう説明している: “11月に生まれる幼生のためにはロボットを2〜3台用意したい。1台は約20万の幼生を運び、他は約120万を運ぶ。ロボットは指定した航路を進み、サンゴ礁全域で一定の深度を保つ。彼らをモニタしている人間が、最大の散布効率になるように幼生をリリースしていく”。

これはふつうならダイバーの仕事だが、ロボットはそのフォースマルチプライヤー(force multiplier, 力量増幅器)になる。ただし食べ物や酸素は要らない。わずか数台で、数十人のレンジャーやボランティアの仕事ができるだろう。

幼生復元技術を開発しているサザンクロス大のPeter Harrisonはこう語る: “生き延びたサンゴは成長を開始し、子芽を生成し、新しいコロニーを作る。それが約3年後には、生殖が可能なまでに大きくなり、そのライフサイクルを完了する”。

それは決して即効的な方法ではないが、でもこの、人工的にサンゴを散布する技術は、サンゴ礁とその領域があと数年生き延びる機会を増大し、そしてその間に、再び自活能力を回復するだろう。

画像クレジット: QUT

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昆虫からヒントを得た羽ばたくロボットが一回の充電で1キロメートルを飛ぶ

イエバエやミバエなどの、信じられないほどの敏捷さは、すべてのロボットとドローンを赤面させる。でも彼らに見倣ったデバイスが、やっと追いつきつつある。このたび新たに作られた四翼の羽ばたきロボットは、ミバエのあまりにも敏捷な飛行方法の模倣に成功しただけでなく、一回の充電で最大1キロメートルも飛ぶことができる。

デルフト工科大学のロボティクスの研究者たちは、昆虫の飛び方に関して彼らがまとめた理論を、実際にロボットとして実装し検証するための飛行体を作りたい、と思った。もちろんそれはワイヤレスで、しかもプロペラなど昆虫に本来ない推進機構があってはいけない。

彼らは単に、羽ばたきで前進するクールなロボットを作りたかったわけではない。昆虫が、突風や自分を叩(はた)こうとする人の手の動きなどに反応するときの、リアクションとコントロールはおそろしく速い。これほどの情報伝達能力を自動操縦ドローンや小型飛行機が持ったら、すごいことになるだろう。あなたが乗ってるジェット旅客機が稲妻を自動的にスムーズに避けることができたら、すてきではないか。

しかし昆虫よりもずっと大きなものになると、その飛行方法は質量が大きすぎて機能しない。彼らの羽ばたきロボットはScience誌の表紙を飾り、彼らのこんなペーパーが載った:

重量とサイズの制約が厳しいので、これまでの設計の多くが、その原型となった生物の飛行性能に到達できていない。それらは必要なレベルの敏捷性を欠き、離陸に必要なパワーがなく、1分以上飛ぶことのできる十分なエネルギーを搭載できなかった。

それだけではなく、Robobeeのような小さなロボットは電源に接続するケーブルを必要とし、そのほかの小さな羽ばたき機は手動による有線の操縦を必要とする。それでは、だめだ! そこでデルフトのチームは、小さな動物の生物的機構を忠実に模倣することをやめて、同じ飛行特性を現実的な大きさで実現できる、ほかの方法を探した。

彼らが作った四翼で尾のないスタイルの創造物DelFly Nimbleは、奇抜だが疑う余地なく有効だ。彼らのロボットは秒速7メートル(時速約25キロメートル)で飛び、定位置でホバーリングでき、急降下や回転など、あらゆる極端な動きがスムーズにできる。ジョークではなく実際に、継続的な推力のあるローターでそれらができる。羽根の動きを調整してコントロールする。このビデオで、そのほかの妙技を見てみよう。

たぶん、いちばん驚異的なのは、その航続距離だ。このロボットは一回の充電で1キロメートル飛ぶ。無人ロボットで‘キロメートル’などという数字は、ほとんど軍用品の仕様だ。

しかしDelFly Nimbleは、興味深い科学的データも作り出している。研究のリーダーMatěj Karásekが説明する:

動物実験と違って、ロボットの脳の中で起きることを完全にコントロールできる。そのため、飛行をアシストしている新しい受動空気力学の仕組みを見つけて記述できる。そのほかの飛行動物の、高速傾斜旋回の間の方向制御の仕組みも、そこから理解できるだろう。

開発は継続しており、生物学者や政府機関方面からオランダの発明家たちに宛てた、関心表明の手紙も日増しに増えている。

画像クレジット: デルフト工科大学

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生物学を3Dで視覚化する強力なツールAllen Integrated Cellで感動しよう

細胞ってどんな形をしているのだろう? 絵を描(か)けと言われたらたぶん誰もが、中央に卵黄のある目玉焼きのようなものを描き、リボゾームを二本ぐらい添えるだろう。凝り性の人なら、さらに小胞体をざっと描くかもしれない。でも本物の細胞はそれよりもずっと複雑で、しかももちろん立体だ。そして細胞を実際に体(からだ)にあるとおりに、誰もが視覚化できるツールが、ここでご紹介するAllen Integrated Cellだ。

このツールを作ったAllen Institute for Cell Science(アレン細胞科学研究所)は、Microsoftの協同ファウンダーPaul Allenがシアトルに作った研究施設だ。この研究所は長年、主に細胞の視覚化を研究してきたが、今日(米国時間5/9)やっとそれをAllen Integrated Cellと名付けた企画として一般公開し、Web上でも見られるようにした。

このアプリケーションは、もっぱら幹細胞が対象だ。その3Dモデルは一般的な理論だけでなく、彼らが研究所内部で行った記録や観察にも基づいている。細胞のタイプは数十種類あり、プロテイン(タンパク質)をはじめ、細胞を構成しているさまざまな物質を像を切り替えながら見ることができる。

オルガネラやプロテインの位置を観察できただけでなく、このシステムはそのほかの類似の細胞を調べることによって、それらの位置を予測できるようになった。そこで、特定の物質を探索しなかった細胞についても、その存在を確率モデルから推測できる。

それが重要なのは、特定の物質やオルガネラを選んで蛍光染色し、顕微鏡で直接見るやり方が細胞にとって良くないからだ。そうやっていろんなものをタグ付けしていると、細胞が死ぬこともある。しかしモデルによって、細胞膜Bの存在と形からオルガネラAの所在を導けるのなら、タグ付けは不要だ。

研究所の常勤取締役Rick Horwitzがプレスリリースで述べている: “これは、人間の生きている細胞の内部を見る新しい方法だ。将来的にこの方法は、新薬の発見や疾病の研究など、人間の細胞の研究を必要とする研究開発の、あり方を変えるだろう”。

微生物学者でない人が見ると、これらは岩を描いたヘタな絵か、モダンアートに見えるだろう。しかし、ある種のプロテインの生体内の働きや、特定の医薬やホルモンへの反応、その分布を支配している体内的過程、などを研究している者にとっては、強力なツールになりえる。

関心を持たれた方は、研究所にある、人間の細胞のヴィジュアルガイドをご覧になるとよいだろう。それも今日公開され、見る人に高校時代の生物学を思い出させるだけでなく、撮影された動画等ではなくWebそのものの技術で描かれる、3Dのすばらしいビューアーを体験できる。

画像クレジット: Allen Institute for Cell Science

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古代の絶滅種マストドンのグミ菓子を作ったGeltorは屠殺に依存しない動物性蛋白質を目指す

[筆者: Paul Shapiro](”Clean Meat: How Growing Meat Without Animals Will Revolutionize Dinner and the World“の著者)

古代食といえば、われわれ人類の農業以前の遠い祖先たちが食べていた、と考えられる食物による、一種の食養生や食餌療法を指すことが多い。しかしながら、祖先たちが本当に何を食べていたのか、に関する議論や研究は未だに乏しい。でもシリコンバレーのVCたちが支援するサンリアンドロのスタートアップGeltorにとっては、合成生物学(synthethic biology)が、そのような古代食の、その文字通りの理解〔==本物の古代の食べ物〕を作り出すための手段になった。

人類が初めて北アメリカへ来たとき、われわれが目にしたのは巨大な動物たちがたくさんいる大陸だった。マストトドンが最大の動物だったと思われるが、しかしこれらの、アジア象の牙の長い親戚たちは、ホモ・サピエンスが登場するころまで進化を続けることができず、したがってわれわれの獲物になることもなかった。きわめて急速に、彼らやそのほかのいわゆる大型動物相(megafauna)は絶滅危惧種となり、そして完全に絶滅した。しかし、その消滅した四足獣たちの一部は、氷の墓地に閉じ込められ、その肉体は数千年を経た今でも腐敗変質せずに保存されている。

そして、古代の有機体がみなそうであるように、彼らの肉体にタンパク質がまだあれば、それらはおそらくコラーゲンの形で残っている。それはわれわれの肉体にも豊富にある分子だ。いや、それどころか、人類は今や、遠い昔の動物たちのタンパク質をシークエンシングすることにより、われわれの祖先たちが満喫した巨大生物の、少なくとも分子レベルでの採掘に向かう第一歩を踏み出したばかりなのだ。インターネットに接続できる人なら誰でも、ほんの数秒で、マストドンのタンパク質のシークエンス(アミノ酸配列)に無料でアクセスできる。

そこでGeltorだが、同社は基本的には、発酵を利用してバクテリアのような微生物からコラーゲンを逆行分析(reverse engineer)し、またその副産物としてゼラチンを得ている。パン屋さんのイースト菌がCO2を作ってパンを膨らまし、醸造所のイースト菌がアルコールを作るように、Geltorは微生物を使って本物のコラーゲンのストランドを作り出している。協同ファウンダーのAlex LorestaniとNick Ouzounovが遺伝子コードをプログラミングしてそれを微生物中に植えることにより、目的とするタンパク質を大量に作り始める。

LorestaniとOuzounovは、地球上に現存する動物のDNAシークエンスでこの能力をマスターしたあと、2015年の終わりごろ、彼らの実験を先史時代に適用する決心をした。Geltor はDNAをプリントしてくれる企業に注文して、マストドンのコラーゲンをエンコードしているDNAのバイアルを入手した。それらを確保した二人の科学者は、マストドンのゼラチンの現物を作り出す(微生物利用の)プロセスを開始した。

画像提供: PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images

LorestaniとOuzounovはグミベアを作ることもできたかもしれないが、しかし二人の協同ファウンダーはEtsyで象の抜き型を買った方がクールだ、と考えた。さすがにマストドンの抜き型は見つからなかったが、ふつうの象さんでも同じだ、と彼らは考えた。グミエレファントで十分じゃないか。すぐさま、彼らのゼラチンに砂糖とペクチンを混ぜ、世界初のマストドンのゼラチン・キャンデー〔いわゆるグミ菓子〕が完成した。その小さなグミエレファントをOuzounovが自分の口に運ぶのを見たLorestaniは思った: “おいおい、人類がマストドンのタンパク質を食べるのは、ものすごく年月が経って、今がやっと初めてだな”。

別の言葉で言えば、それが今日の世界では唯一の、本物の古代食だ。

その後同社は数百万ドルの資金を調達して、化粧品などにも使われている今のふつうの動物のDNAから本物のコラーゲンを作り出す研究開発を開始した。そのコラーゲンを、本物の革に成長させることもできた…もちろん、牛を一頭も使わずに。そして、世界で初めての、実験室で育てた皮革を使った革表紙の本まで作った。

Geltorは、クリーン・アニマル・プロダクトの分野を開拓しているスタートアップたちのグループに属する。それは、本物の動物性食品を、動物を繁殖したり殺したりせずに入手する技術だ。この用語は“クリーン・エナジー”をもじっているが、動物性食品を今の畜産のように資源浪費型で作るのではなく、ずっと少ない資源消費量で得ることに加え、クリーン・ミートやクリーン・ゼラチンは、食べ物の安全性という見地からもずっとクリーンだ。

今日の食肉産業は、つねに病原性大腸菌のリスクにさらされているが、食肉(やゼラチンなどの)の生産を家畜の肥育に依存しないようにすることができれば、真に安全な食品が現実のものになる。また動物から動物性タンパク質を得ることに比べて、それにはありえない、ずっと多様な機能性食品が得られる。

写真提供: Flickr/Mike Licht

“食べ物のコミュニティとしてのわれわれ人間は今、安易に稼働できるタンパク質製造プラットホームに甘んじている”、とLorestaniは彼の見解を述べる。同社は仲間のスタートアップMemphis Meatsとオフィスを共有しているが、こちらは、屠殺からではなく細胞の培養から本物の食肉を育てようとしている。Lorestaniは、彼のトレードマークであるグレーのフーディーで頭と顔を覆ったまま、話を続ける: “多くの場合それは動物の搾取であるだけでなく、豊富な植物にも危機を及ぼしている。人間は大量の動物を作り出す名人だが、しばらくは、それでもよかった。しかし今日では、動物を作物とする農業はわれわれの文明に大きなストレスをもたらしている。しかも、それよりも良いやり方があるのにね。われわれは、そのことを世の中に示したい”。

絶滅した動物のタンパク質を食べることは、古代食愛好家である/ないを問わず、必ずしも万人にとって魅力的ではないだろう。しかし今日の、動物製品の作り方は、われわれの惑星に現在住んでいる種にとってまったく持続可能性がない。もちろん、人間も含めてだ。食肉や、そのほかの動物製品への高い需要が、今日の野生種絶滅の主な要因であることは、今や周知の事実だ。

Geltorのようなフードテック企業の活躍によりわれわれはもうすぐ、もっと安全でエコフレンドリーで人間的な方法で動物製品を食卓に運ぶことが、できるようになるかもしれない。そしてそれはまた、多くの種がかつてのマストドンの道をたどることを、防ぐ方法でもある。

トップ画像: James St. John/Flickr CC BY 2.0のライセンスによる

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精子の動きを再現するCGアニメが生物学の進歩にも貢献した

精子が動きまわる短編3Dアニメが、精子のかつてなかったほど詳細なモデルとして、大きな科学的価値を持つことになった。あの中で一体何が起きているのか、前から関心があった方にも、たいへん参考になるだろう。

ハーバード大学Wyss研究所のDon Ingberが、生物学的過程を原子のレベルで正確に視覚化したい、と考えた。呼吸でも視覚でもなんでも、きわめて複雑な過程だが、でも、精子が卵子に殺到して、自分を卵子に埋没させていく過程は、単純かつ、彼の制作努力に見合うほど十分にドラマチックだろう。

彼は、同じくWyssにいて映画畑で働いたことのあるCharles Reillyとコンビを組んだ。絵コンテは作ったが、精子の長い尾のアニメーションで難航した。尾の動きは、精子の推力を作り出している。二人は精子の動きに関して大量の文献を読んだが、マクロのレベルで見るような単一のモデルを作ることには役に立たなかった。尾の実際の動きは、原子のレベルで起きていることの直接の結果だった(分子モーターが動きを作り出す)。

しかし、ばらばらの知識をとにかく大量に寄せ集めて、精子のさまざまな実態に合ったモデルを作ることに成功した。精子の尾の動きという過程を原子〜分子レベルで視覚化すると、きわめてユニークな映像になった(下図)。尾を構成しているのは長い軸糸(axonemes)と呼ばれる原子の構造で、それらのあいだにダイニン(dynein)と呼ばれる酵素分子が並んでいるのだ。

その原子レベルの動きの全体を、彼らの短編アニメで見ることができる。それは見ておもしろいだけでなく、ダイニンが関与している、ボートの漕ぎ手のような動きを、エレガントに説明している。おまけに、科学的価値も高い。

IngberがWyssのニュースリリースで説明している:

われわれの物理学レベルのシミュレーションとアニメーションシステムは、そのほかの、データに基づくモデリングシステムと比べても遜色はなく、またそれだけでなく、新しい科学的知見にも導く。すなわち、ダイニンヒンジの制約された動きが、ATPの加水分解(ATP hydrolysis)によってリリースされるエネルギーをフォーカスすることである。それによってダイニンの形が変わり、微小管の滑動と軸糸の動きを駆動する。

さらに、ダイニンのこれまでの研究により、その分子の二つの異なる静的配座が明らかとなったが、われわれのアニメーションは、それら二つの形状の間をプロテインが遷移する、ひとつの妥当な様相を示している。それは、他のシミュレーションにできなかったことだ。またアニメーションによって、ダイニンの列が一斉に働く様子を視覚化でき、それはボート競技の漕ぎ手たちの揃った動きを連想させる。これも、従来の科学的シミュレーションの方法では困難である。

彼らがこの短編アニメーションで見せていることは、精子の実際の動きの理解を、一歩前進させることに役立つだろう。

では、アニメの最終バージョン、“The Beginning”をご覧いただこう:

それは、奇異であると同時に優れた作品だ。これを実際に作れたことは、喜ばしい。

Ingberは語る: “われわれは、アートとサイエンスが本当に互恵的に互いの役に立つことを実証できた。このプロジェクトが今後のさらなるコラボレーションを喚起し、アートとサイエンスの密接な協働がエンターテインメント産業でも活用されて現実を描き出し、万人がそれらを楽しめることを期待したい”。

このアニメの創作過程は、ジャーナルACS Nanoにドキュメントされている。

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))