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HOME > No.18, Sep 2019 > Harnessing Microorganisms for Smart Microsystems

Harnessing Microorganisms for Smart Microsystems

Vorticella autonomously converts its linear motion to rotation By Moeto Nagai
Chirality of vitamin-D derivative affects the protonation states of its receptor protein

A research team led by Dr. Moeto Nagai of the Department of Mechanical Engineering at Toyohashi University of Technology has developed a method to construct a bio-hybrid system that incorporates Vorticella microorganisms. The method allows movable structures to be formed in a microchannel and harnessed to Vorticella. The bio-hybrid system demonstrates the conversion of motion from linear motion to rotation. These fundamental technologies help researchers to create wearable smart microsystems by using autonomous microorganisms. The results of their research were published in the IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems on April 11, 2019.

Complex control systems are required for the operation of smart microsystems, but yet they need to be as small as possible. It is thought that cells may be applicable as alternatives for these complex control systems. This is because a cell integrates many functions in its body and responds to its surrounding environment, they are intelligent and can be used in smart micromechanical systems.

In particular, Vorticella convallaria has a stalk (approximately 100 μm in length) that contracts and relaxes, and it works as an autonomous linear actuator. The combination of stalks and movable structures will form an autonomous microsystem. However, the construction of biohybrid systems in a microchannel is difficult, as it is necessary to establish a cell patterning method and a biocompatible assembly process for the structure and cell.

Structure Integration and Motion Conversion by Vorticella: A free-floating component is harnessed to Vorticella and the component is autonomously rotated and returned by means of a biohybrid approach.

The research team has developed a method to construct a biohybrid system that incorporates Vorticella. "Harnessing microorganisms requires that a batch assembly method be applied to the movable components in a microchannel. It is necessary to pattern a water-soluble sacrificial layer and confine the movable components in a microchannel," says Moeto Nagai, a lecturer at Toyohashi University of Technology and the leader of the research team. Vorticella cells were placed around blocks in the channel by applying magnetic force. These processes were applied to demonstrate how Vorticella converts the motion of a movable component.

Fig.1
Fig.1 Harnessing a structure to Vorticella: Integration of a structure with Vorticella (Upper, A, B). Repetitive movement of a structure due to the force of Vorticella and flow (Lower, C, D).

"The concept of harnessing a component to a microorganism seems simple, but it is difficult for even a microfabrication expert to make harnesses that can follow the motions of microorganisms. Hazardous chemicals should be avoided, and a multidisciplinary approach should be taken," says Nagai. His group is familiar with microfabrication and has conducted considerable research in the field of microbiology. They found a biocompatible approach for making and releasing harnesses in a microchannel.

After permeabilized treatment, Vorticella stalks respond to changes in calcium ion concentration, and they can operate as calcium ion-responsive valves. The research team believes that calcium ion-sensitive motors of Vorticella will facilitate the realization of autonomous fluidic valves, regulators, and mixers, as well as wearable smart microsystems, such as an automated insulin infusion pump for diabetes.

Fig.2
Fig.2 Calcium-responsive valve actuated by Vorticella: A channel is closed at low calcium-ion concentration (Left). Vorticella opens the channel at high calcium-ion concentration (Right).

This work was supported by JSPS KAKENHI (Grant Number 22810012, 25820087), the Ebara Hatakeyama Memorial Foundation, and The Foundation for the Promotion of Ion Engineering.

Reference

Moeto Nagai, Kohei Tanizaki, Takayuki Shibata (2019). Batch Assembly of SU-8 Movable Components in Channel Under Mild Conditions for Dynamic Microsystems:
Application to Biohybrid Systems, IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems,
https://doi.org/10.1109/JMEMS.2019.2907285

微小ハーネスをツリガネムシに取り付ける

自律的に環境に応答するウェアラブルマイクロシステムの実現へ
By 永井 萌土

豊橋技術科学大学機械工学系の永井萌土講師らは、微生物であるツリガネムシに微小ハーネスを取り付けて、微生物融合マイクロシステムを構築する方法を開発しました。ハーネスとなる可動構造をマイクロ流路内に形成し、生きているツリガネムシと組み合わせ、ツリガネムシの直線運動を回転運動に変換しました。これらの基礎技術は、自律動作する微生物を使用してウェアラブルなスマートマイクロシステムを作製するのに役立ちます。

マイクロシステムを周囲環境に適応しながら動作させるには、複雑な制御システムが必要で、さらにそのサイズの縮小が望まれます。これらの複雑な制御システムの代替として、細胞を適用することが期待されています。細胞は小型な体内に多くの機能を統合し、周囲の環境に反応できることから、環境適応型のマイクロシステムの部品に使用できます。

特に、ツリガネムシは収縮伸張する柄(長さ約100μm)を持ち、自律型のリニアアクチュエータとして機能します。この柄と可動マイクロ構造(ハーネス)の組み合わせにより、自律型のマイクロシステムを形成できます。しかしながら、マイクロ流路内でのシステム構築には、細胞配置技術とハーネスの組立方法を確立し、なおかつ細胞を生きたままにする必要がありました。

そこで研究グループは、ツリガネムシを生きたまま組み込み、微生物融合システムを構築する手法を開発しました。複数の微生物を利用するには、マイクロ流路内の可動部品を並列的に構築することが求められます。まず微細加工技術を応用して、微小なハーネスをマイクロ流路中に並列的に配置しました。続けてツリガネムシの細胞を磁力により、選択的に配置しました。最終的にハーネスをツリガネムシに組み付けて、ツリガネムシの運動を用いてハーネスの動きを回転運動に変換することに成功しました。

微小ハーネスを微生物に利用するという概念は、マクロな発想からは単純に思えます。しかし、微細加工の専門家にとっても、微生物の動きに追従するハーネスを作ることは困難でした。ハーネスを生きた微生物に組み付けるには、有害な化学物質の使用を避ける必要があり、解決には学際的なアプローチが求められます。研究グループは微細加工に精通しており、なおかつ微生物学の分野でも研究を進めてきました。これらの蓄積があり、生体適合性を持たせたまま「マイクロ流路内でハーネスを作製し、なおかつ可動化する手法」を見つけました。

細胞膜の透過処理を行った後、ツリガネムシの柄は周囲のカルシウムイオン濃度の変化に反応するようになります。これにより周囲のカルシウムイオンに反応するバルブとして機能するようになります。また、ツリガネムシのカルシウムイオン応答アクチュエータは、自律型の流体バルブ、流量調整器やミキサーの構築につながり、さらに糖尿病用の自動インスリン注入ポンプのようなウェアラブルな環境応答型マイクロシステムの実現に貢献すると研究チームは考えています。

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Researcher Profile

Moeto Nagai
Name Moeto Nagai
Affiliation Department of Mechanical Engineering
Title Lecturer
Fields of Research BioMEMS/ Biohybrid System/ Micro-Nano Mechatronics/ MicroTAS/ Biofabrication, Micromachining

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