理化学研究所（理研）は2020年1月7日、フェムト秒レーザーを使用して、純粋なタンパク質で微小3次元構造体をつくる造形技術を開発したと発表した。再生医療などの細胞培養用の足場、バイオセンサー、マイクロアクチュエーターなどへの応用が期待できるとしている。
フェムト秒レーザー3Dプリンティングにより造形した3次元マイクロ構造
フェムト秒レーザーは、単位時間当たりの光子密度が極めて高い。集光点でのみ効率よく多光子吸収を誘起し、透明材料を固化できる。多光子吸収を利用した3Dプリンティングは「多光子造形」と呼ばれ、加工解像度は極めて高く100nmほど。最近では、ポリマーだけでなく、金属やタンパク質を使った造形技術も研究されている。
特にタンパク質から微小な3次元構造体を造形できるようになれば、再生医療などに応用できる可能性がある。しかし、これまでタンパク質を使って多光子造形をする際には、前駆体となるタンパク質分子に反応を促進するため、光活性剤を混合していた。光活性剤には毒性を持つものもあり、造形した構造体中に混入してしまう恐れがあった。
フェムト秒レーザーを用いたタンパク質の3Dプリンティング装置の概略図
そこで理研の研究チームは、前駆体中のタンパク質濃度を上げ、レーザー光の照射強度を高くすることで、光活性剤を使用しない純粋なタンパク質の3Dプリンティング技術の開発を試みた。
研究チームは、まずタンパク質の3Dプリンティングに使う前駆体として、純水を用いてウシ血清アルブミン（BSA）分子を溶解した3mM溶液、光活性剤MBSの100mM溶液とBSA1.5mM溶液の混合液を調整した。それぞれの前駆体溶液をガラス基板上に滴下した後、スピンコーターで回転させて乾燥し、薄膜状に。この薄膜状前駆体の内部に、波長525nm、緑色の超短パルス・超高強度フェムト秒レーザー光を対物レンズで集光して照射した。
タンパク質の3Dプリンティングのメカニズム
レーザー走査終了後、薄膜を純水で洗い流したところ、レーザー光が照射されていない箇所は溶解され、照射領域だけが設計したとおりの微小3次元構造体に造形されていた。
ラマン分光測定の結果、BSAのみからなる前駆体から造形された構造体は、純粋なタンパク質の3次元構造体に造形されたと実証できた。加水分解実験によって、タンパク質分子同士が化学結合していることも確認できた。
タンパク質には多種多様なものがあり、異なる機能を持つ。今回開発された技術は数多くの違った種類のタンパク質の造形に適用可能だ。
周囲の雰囲気のpHに依存して体積が変化するタンパク質を使って3次元構造体を造形すれば、マイクロアクチュエーターや焦点可変の光学素子に。特定の分子や細胞に対する結合親和性か、酵素反応性を持つタンパク質は、病理診断やバイオセンサー、再生医療などの細胞培養へ応用できると見込んでいる。
