一つひとつの細胞の動きにある、わずかな左右の偏り。その小さな違いが、集団になると目で見えるほど大きな模様を生むことがあります。理化学研究所などの研究チームは、細胞を中心から供給し続ける実験で、細胞性粘菌がセンチメートル規模の時計回りの多腕らせんをつくる様子を調べました。成果は2026年10月26日、Nature Communicationsに掲載されました。
鍵になったのは、細胞が少し曲がって進むことに加え、近くの細胞と向きをそろえること、そして集団へ新しい細胞が入り続けることです。細胞の「キラリティ」、つまり左右を入れ替えると同じにはならない性質が、集団の模様へつながる条件を示した研究です。
簡単にまとめると？
- 化学物質の濃度差を追う働きを欠く粘菌細胞でも、中心から供給され続けると、回転する中心部と複数のらせん状の帯が現れました。
- 個々の動きには揺らぎがありますが、平均すると時計回りに曲がる小さな偏りがあります。近くの細胞と向きをそろえる相互作用が、その偏りを集団の形へ増幅すると考えられます。
- 計算モデルでは、旋回の強さを増すほど大きならせんになるわけではありません。細胞の供給と旋回の釣り合いによって、同心円状の帯、らせん、中心付近の集まりに分かれました。
細胞が外から入り続ける「開放系」を見る
対象は細胞性粘菌Dictyostelium discoideumのKI細胞です。この変異株は、化学物質の濃度差を手掛かりに集まる走化性を欠いています。そのため、よく知られた化学信号の波による集合とは区別して、細胞どうしの運動がつくる模様を調べられます。
実験では、栄養を含まない寒天上のくぼみに細胞の塊を置きました。そこから細胞が周囲へ移動し、観察する領域へ次々に入ってきます。このように構成要素が出入りする集団が「開放系」です。ここでいう供給は、細胞分裂でその場の数を増やすことではなく、中心の細胞源から外へ流れ出すことを指します。
論文に示された観察例では、8時間後に細胞源を囲む密な輪が見られ、26時間後にはその周囲へ複数のらせん状の帯が延びていました。論文の図1で両時点の画像を比較できます。これはこの実験例の経過であり、あらゆる細胞集団が同じ時間で同じ形になるという意味ではありません。
らせんの腕は、同じ細胞でできた固定の列ではない
中心部では多くの細胞が時計回りに向きをそろえ、回転する核となっていました。その外側には、細胞の密度が高い帯が進みます。らせんの「腕」は、この移動する帯がつくる密度の波です。特定の細胞がずっと一つの腕を構成したり、全ての細胞が中心の周りを大きく一周したりしているわけではありません。
帯の進む速さと、細胞自身が移動する速さも異なります。道路の渋滞の境目が動く速さと、そこを走る車の速さが違うように、集団の模様と構成要素の運動は分けて読む必要があります。研究チームは連続画像から局所的な流れを求め、回転する中心部と、そこから続く帯の向きがそろっていることを確かめました。
小さな曲がり方の偏りを、近所との協調が増幅する
では、時計回りの向きはどこから来るのでしょうか。研究チームは単独の細胞に加え、小さな細胞集団の重心の軌跡も追いました。短い時間で見ると左右どちらにも曲がりますが、3回の独立した実験では、平均の曲がり方はいずれも時計回りでした。全ての細胞が常に同じ方向へ旋回する、という結果ではありません。
さらに、2回の実験で集めた37回の細胞どうしの衝突を調べると、衝突後には互いの進行方向の角度が小さくなる傾向がありました。近くで接した細胞が、進む向きをそろえる作用を支持する観察です。ただし、接着や力の伝達のどの分子過程が主因かまで、この観察だけで一意に決まるわけではありません。
わずかな時計回りの偏りがあっても、細胞がばらばらに動けば大きな模様にはなりません。近くの細胞と方向をそろえることで偏りが集団の流れとなり、細胞の供給によって密な回転部分が保たれる。その組み合わせを、研究チームは計算モデルで検討しました。
旋回が強すぎても、らせんは広がらない
用いたのは、近隣の粒子と向きをそろえるVicsekモデルに、一定方向への小さな旋回と、局所的な粒子の供給を加えたものです。細胞の形や内部の分子を全て再現するモデルではありません。どの要素があれば模様の基本形が生じるかを調べるための、最小限の記述です。
| 計算モデルでの旋回の強さ | 現れた代表的な模様 | 読み取れること |
|---|---|---|
| 弱い | 外へ進む同心円状の帯 | 細胞の供給と方向の協調だけでは、回転する中心部を伴うらせんにならない。 |
| 中程度 | 回転する中心部と多腕らせん | 旋回と外向きの広がりが両立する領域がある。 |
| 強い | 中心付近にとどまる集まり | 旋回を強めるだけでは、腕が外へ広がらない。 |
モデルはらせんの基本形を再現しましたが、実測と数値まで完全に一致したわけではありません。実験から見積もった旋回の強さの一部は、最も単純なモデルでは中心に集まる領域に入ります。細胞が互いに重なれない効果など、簡略化した要素が違いの候補です。形が似たことと、定量的な予測が完成したことは区別されます。
供給量は形を変える。ただし実際の流入量は未測定
時間が進むと、らせんの腕の傾きも変わりました。計算で細胞の供給率を一定にすると、実験とは逆向きの変化が生じましたが、供給率を徐々に下げると実験と同じ傾向になりました。集団へどれだけ細胞が入るかが、模様を調整する要因になり得ることを示しています。
一方、実験の細胞源の縁は密で、一部に重なりもあり得るため、流入率を直接測定できていません。「実際の供給量が下がったことを測り、それが形の変化の原因だと確定した」とまでは言えません。モデルとの比較から得た説明候補です。
この研究が示したのは、細胞の小さな左右の偏りを読むときに、近所との協調だけでなく、細胞が入ってくる条件も見る必要があるということです。粘菌の特定の実験系から、人体の臓器の左右差や組織を自在につくる技術へ直結する段階ではありません。それでも、微小な運動の性質が大きな形へ変わる過程を、観察とモデルを照らし合わせて考える手掛かりになります。
出典
- Hayakawa, M. et al., Emergence of chiral multi-armed spirals in an open system of migrating cells under continuous cell supply, Nature Communications 17, 10535（2026年10月26日）。実験結果、計算モデル、測定方法と限界を参照。
- 理化学研究所 2026年10月26日付の研究発表。上記論文を紹介する共同研究の発表。