特表 2024-519264 ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-10

(54)【発明の名称】ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム

(51)【国際特許分類】

   G06N 3/065 20230101AFI20240501BHJP

   H01M 8/16 20060101ALI20240501BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240501BHJP

   G06G 7/60 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

G06N3/065

H01M8/16

H01M8/04 Z

G06G7/60

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023560196

(86)(22)【出願日】2022-03-18

(85)【翻訳文提出日】2023-11-22

(86)【国際出願番号】 EP2022057225

(87)【国際公開番号】W WO2022214297

(87)【国際公開日】2022-10-13

(31)【優先権主張番号】21305411.7

(32)【優先日】2021-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．テフロン

(71)【出願人】

【識別番号】516247100

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ・グルノーブル・アルプ

【氏名又は名称原語表記】Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ Ｇｒｅｎｏｂｌｅ Ａｌｐｅｓ

(71)【出願人】

【識別番号】506079836

【氏名又は名称】アンスティテュー ポリテクニーク ドゥ グルノーブル

(71)【出願人】

【識別番号】508071375

【氏名又は名称】ソントル・ナショナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・サイエンティフィーク

(71)【出願人】

【識別番号】523025045

【氏名又は名称】ソントル オスピタリエ ユニヴェルシテ グルノーブル アルプ

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マルタン ドナルド キース

(72)【発明者】

【氏名】テリュ ジャック

(72)【発明者】

【氏名】アルカラス ジャン ピエール

(72)【発明者】

【氏名】マッカリーニ マルコ

(72)【発明者】

【氏名】ゼブダ アブデルカデール

(72)【発明者】

【氏名】サンカン フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】マウリ マルコ

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB01

(57)【要約】

本発明は、互いに接触して、接点にて脂質二重層（１３）を形成する逆ミセル（１４）を含む、溶液を備え、接点の少なくとも一部が、少なくとも１つのイオンの逆交換により、少なくとも１つのイオンを一の逆ミセル（１４）から他の逆ミセル（１４）に輸送することを可能にする、少なくとも１つのイオン輸送膜タンパク質（１５）を含み、逆ミセル（１４）を含む溶液が、圧縮エマルション（１０）である、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムに関する。このようなシステムにより、電圧を生成可能なイオン勾配を発生させることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに接触して、接点にて脂質二重層（１３）を形成する逆ミセル（１４）を含む溶液を備え、前記接点の少なくとも一部は、少なくとも１つのイオンの逆交換により、少なくとも１つのイオンを一の逆ミセル（１４）から他の逆ミセル（１４）に輸送することを可能にする、少なくとも１つのイオン輸送膜タンパク質（１５）を含み、前記逆ミセル（１４）を含む溶液は、圧縮エマルションである、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項2】

接触して一連の逆ミセル（１４）を形成する、少なくとも１５個の逆ミセル（１４）を含み、逆ミセル（１４）同士の各接点が、少なくとも１つのイオン輸送膜タンパク質（１５）を含む、請求項１に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項3】

前記イオン輸送膜タンパク質（１５）は、起電性対向輸送体である、請求項１又は２に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項4】

前記イオン輸送膜タンパク質（１５）は、膜貫通タンパク質ＮｈａＡである、請求項１－３のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項5】

前記イオン輸送膜タンパク質（１５）は、大腸菌由来の膜貫通タンパク質ＮｈａＡ、又は、大腸菌ＮｈａＡタンパク質のＡ１６７Ｐ変異体である、請求項４に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項6】

少なくとも１つのイオンの交換を行う前記イオン輸送膜タンパク質（１５）により輸送可能なイオンを供給する第１のタンク（１６）と、前記イオン輸送膜タンパク質（１５）により輸送可能な前記イオンを隔離する第２のタンク（１７）と、を含み、前記第１のタンク（１６）及び前記第２のタンク（１７）が、前記逆ミセル（１４）を含む前記溶液の一方にそれぞれ配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項7】

カソード（１８）とアノード（１９）とを備えている、請求項１～６のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項8】

前記イオン輸送膜タンパク質（１５）は、少なくとも１つのイオンの逆交換により、カルシウムイオンＣａ²⁺を、一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送することを可能にする起電性対向輸送体である、請求項１～７のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項9】

前記イオン輸送膜タンパク質（１５）は、少なくとも１つのイオンの逆交換により、プロトンＨ⁺を、一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送することを可能にする起電性対向輸送体である、請求項１～７のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項10】

プロトンの交換により前記イオン輸送膜タンパク質（１５）によって輸送されることができる前記少なくとも１つのイオンは、ナトリウム（Ｎａ⁺）及びリチウム（Ｌｉ⁺）から選択される、請求項９に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項11】

埋込型医療デバイス、非埋込型医療デバイス又はノマド消費者向け電子デバイス用の電圧源として用いられる、請求項１～１０のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項12】

生細胞及び哺乳類の体組織と接触させ、細胞及び組織のイオン及び化学応答を感知する、又は、イオンシグナルを供給して細胞及び組織の生体応答に影響を及ぼすために用いられる、請求項１～１０のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム。

【請求項13】

－脂質溶液（１１）の調製工程と、
－イオン輸送膜タンパク質（１５）を含む水溶液（１２）を前記脂質溶液に、一滴ずつ加える工程であって、脂質溶液／水溶液の体積比を２とすることで、エマルション（１０）である、逆ミセル（１４）を含む溶液を調製する工程と、
－前記逆ミセル（１４）を細分化して、逆ミセル（１４）のサイズを低下させ、前記逆ミセル（１４）の数及び前記エマルション（１０）の均質性を増加させる工程と、
－前記逆ミセル（１４）を互いに圧縮して、作製される脂質二重層（１３）の表面を増加させる工程と、
を備える、請求項１－１０のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの、製造方法。

【請求項14】

前記逆ミセル（１４）を含む溶液に、前記溶液中に存在する前記イオン輸送膜タンパク質（１５）により、プロトンＨ⁺に対して特異的に交換可能なイオンを供給して、前記逆ミセル（１４）を含む溶液中で前記イオンのイオン勾配を適用する工程を備える、請求項９又は１０に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを用いる、電圧の生成方法。

【請求項15】

前記ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムに含まれる前記イオン輸送膜タンパク質（１５）が、大腸菌由来の膜貫通タンパク質ＮｈａＡ、又は、大腸菌ＮｈａＡタンパク質のＡ１６７Ｐ変異体であり、前記逆ミセル（１４）を含む溶液に供給される前記イオンがナトリウムイオン又はリチウムイオンであり、それぞれ、前記溶液中にナトリウム勾配又はリチウム勾配をもたらす、請求項１４に記載の電圧の生成方法。

【請求項16】

請求項１～１０のいずれか１項に記載のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを備える、燃料電池（２０）。

【請求項17】

埋込型医療デバイス、非埋込型医療デバイス、又は、ノマド消費者向け電子デバイス用の電圧源として用いる、請求項１６に記載の燃料電池（２０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、逆ミセルなどの生物学的成分をベースにする、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

最先端の、電気的ニューロモルフィックシステムは、電子部品を用いて、シナプスの完全な機能性を再現することを目標としている。これらのデバイスは、生物学的システムにおける学習の根底にある、典型的なシナプスプロセス（例えば、活性に依存するシナプス可塑性）の達成において、いくつかの制限を有する。シナプス可塑性を模倣するために、最先端の電子デバイスは、適切な電気的刺激を受ける際（シナプス活性時）に、デバイスの抵抗（シナプス強度又は重量）を変化させることができ、ダイナミックレンジ全体を通して、いくつかの安定した抵抗状態（類似挙動）を示すことができる、と推定されている。さらに、これらの電子システムは、接続したシナプスからの出力信号の学習応答に影響を与えるために、シナプスに接続した複数の発火ニューロン間での遅延時間を利用することにより、生物学的な神経機能を模倣しようとする、関連性ホモシナプス可塑性の学習ルールである、スパイクタイミング依存可塑性（STDP）を行うことを目標としている。例えば、Coviら（２０１６）は、小規模スパイキングニューロモルフィックネットワークにおいて、バイナリではなくアナログのメモリスティブなシナプス要素が、特徴認識を教師なし学習できることを示した。

【0003】

メモリスターは、パターン学習及び認識可能な、このような最先端の電子デバイス用の、相補型金属酸化膜半導体ベースの電子構成単位を提供する（Zieglerら、２０１５、Liら、２０１５、Saighiら、２０１５）。２０１８年には、複数のメモリスティブデバイスを用いることで、次世代の情報処理機能を持つ演算システムを構築するための基礎の形成において、著しい進歩が遂げられた。Boybatら（２０１８）においては、ニューロモルフィックシステムで、１００万個を超える相変化メモリスティブデバイスを用いることで、特に、教師なし学習、特に、時間相関の学習が可能な、効率的なスパイキングニューラルネットワークが示された。さらに、このデバイスは、大規模かつエネルギー効率の高い、ニューロモルフィック演算システムの構築に向けての意義深いステップを示した。

【0004】

メモリスターは主に、将来の高密度ナノスケールアレイに標的を定めているため、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）駆動回路も同様に、これらの寸法に合わせる必要がある。しかし、大きなオーバーヘッドをもたらさない、メモリスティブシナプス用の適切かつ大規模化した駆動回路の開発においては、ＣＭＯＳベースのシステムを設計することが、最先端の研究に対する大きな課題となっている。これは特に、パッシブクロスバーの一体化を利用するシステムに対して真理となっている。このような回路のトポロジーは、１つのデバイスが、２つのニューロン（入力ラインと出力カラム）間の１つのシナプスに結合する、並列度が高く、集積度が高いニューロン／シナプス回路と直接的な等価物をもたらすため、特に、ニューロモルフィックエンジニアにとって魅力的である。しかし、このようなトポロジーは、克服する必要のある回路の課題（例えば、クロストーク、スニークパス、又はインピーダンスミスマッチ）をもたらす（Saighiら、２０１５）。

【0005】

メモリスターを開発するための電子設計にはかなりの利点があるにもかかわらず、これらの電子デバイスは依然として、ニューロモルフィック演算機能を発揮するためには、著しく多くのエネルギーを消費し、生物学的ニューロン及びシナプスよりも、はるかにサイズが大きいままである。さらに、ニューロモルフィックシステムにより脳機能を模倣するには、人工電子シナプスを３次元で構築する必要がある。しかし、相補型金属酸化物半導体構造の、製造上の複雑さによって、３次元の相互接続性の達成が妨げられる。フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を用いることで、特定のハードウェア技術がもたらされ、ＦＰＧＡはまた、再プログラム可能であるが故に、再構成可能なセンサーシステムがもたらされる。したがって、対応する回路を修正して、異なるタスクを実施するためにその機能性を適合させることができる（Garciaら、２０１４）。にもかかわらず、ＦＰＧＡを用いて設計したシステムは大型のままであり、追加の複雑なデジタルシグナルプロセッサ（DSP）、ＶＬＳＩチップ、又はマイクロコントローラー（Shimonouuraら、２００８）を必要とする。

【0006】

クロスバー電極を垂直に積層することで二端子メモリスティブデバイスが接続される、柔軟な３次元人工化学シナプスネットワークを用いて、この問題を解決することが試みられてきた（Wuら、２０１７）。人工電子シナプスにおける柔軟性は、生体高分子を用いてもまた試みられてきた（Wuら、２０１７、Yuら、２０１８、Huら、２０１８）。しかし、これらの有機メモリスターの操作は、イオンが自身の状態を維持するためのポリマーを介した低速のイオン拡散速度、又は、金属ナノ粒子中での電荷の貯蔵のいずれかに左右され、これらは、本質的に性能及び安定性を制限する。

【0007】

近年、van de Burgtら（２０１７）は、ＥＮＯＤｅデバイスについて記載しており、これは、人工シナプスとして機能する新しい有機電子デバイスであり、安価に市販されているポリマーから構築される。ＥＮＯＤｅ人工シナプスは、多数の不揮発性及び再現可能な状態（５００回を超える）を示しており、非常に低電圧で作動する。ＥＮＯＤｅデバイスは、電解液により分離された、２つのポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／ポリ（エチレンイミン）（ＰＥＩ）電極（「シナプス前」及び「シナプス後」）を利用しており、電解液からは、カチオンがシナプス後電極に浸透し、プロトンがシナプス前電極に浸透する。シナプス前電極を荷電させることで、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／ＰＥＩ電極内でのイオンの拡散が刺激され、これにより、この人工シナプスに切替能力、及び、各電極で電荷を保持する能力が付与される。揮発性の欠如は、電子伝導体ではない分離電解液に左右される。ＥＮＯＤｅメカニズムは、既存の有機エレクトロニクスニューロモルフィックデバイスのメカニズムとは、根本的に異なっている。

【発明の概要】

【0008】

そのため、本発明の目的は、互いに接触して、接点にて脂質二重層を形成する逆ミセルを含む、溶液を備え、接点の少なくとも一部が、少なくとも１つのイオンの逆交換により、少なくとも１つのイオンを、一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送可能にする、少なくとも１つのイオン輸送膜タンパク質を含み、逆ミセルを含む溶液が圧縮エマルションである、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを提案することにより、上述の欠点を克服することである。

【0009】

本発明により、好適に、電圧を生み出す、又は、生細胞若しくは体内組織により認識可能なイオンシグナル伝達経路を生成することが可能となる。

【0010】

好ましくは、イオン輸送膜タンパク質は、少なくとも１つのイオンの逆交換によって、プロトンＨ⁺を、一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送可能にする、起電性対向輸送体である。このような起電性対向輸送体は、電圧及び電気を生み出すために好適に用いられる。

【0011】

好ましい実施形態では、イオン輸送膜タンパク質は、少なくとも１つのイオンの逆交換によって、カルシウムイオンＣａ²⁺を、一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送可能にする起電性対向輸送体である。このような起電性対向輸送体は、細胞又は体内組織により認識可能なイオンシグナル伝達経路を生成するために好適に用いられる。

【0012】

イオン輸送膜タンパク質は、細胞膜又は脂質二重層に埋め込まれるように構成されたタンパク質である。この膜又は脂質二重層は実質的に、イオンを透過させない。イオン輸送膜タンパク質は通常、細胞におけるイオンの取り込み及び排出を制御するために、膜又は脂質二重層を通過するイオンの輸送を可能にする。

【0013】

起電性対向輸送体は、膜又は脂質二重層にまたがってイオン交換を生じさせるイオン輸送膜タンパク質である。起電性対向輸送体は通常、１つ又は複数の内向きに輸送されるイオンと、１つ又は複数の外向きに輸送されるイオンとの交換を行う。この交換は、外向きに輸送されるイオンと比較して、内向きに輸送されるイオンの数が釣り合っていないために、起電性となる。このような起電性交換の結果、起電性対向輸送体が組み込まれた膜又は脂質二重層にまたがって、これらのイオンの勾配が生成される。

【0014】

逆ミセルは、両親媒性分子の球状アグリゲート、即ち、球の内側を向いている親水性極性頭部と、球の外側、即ち、脂肪族溶媒を向いている疎水性鎖と、を有する分子である。「油相」という用語は、この脂肪族溶媒を示すためにも用いられる。したがって、逆ミセルを含む溶液は、エマルションとみなされる。エマルションは、逆ミセルの内側に水溶液（エマルションの水相とも呼ばれる）を含み、逆ミセルの外側に脂質溶液（エマルションの疎水性相又は油相とも呼ばれる）を含む。

【0015】

少なくとも１つのイオン輸送膜タンパク質を含む、互いに接点で接触した逆ミセルは、相互接続しているとみなされる。イオン輸送膜タンパク質により、プロトンＨ⁺に対して特異的に交換可能なイオンが、逆ミセルを含む溶液の外縁に到達するとき、当該イオンのイオン勾配が、溶液中の逆ミセル全体にわたり生み出される。好適には、このようなイオン勾配が生み出されると、溶液中において、逆ミセルから逆ミセルに向かうイオン勾配とは逆方向のプロトンＨ⁺の移動（Ｈ⁺イオンの勾配）が生み出されて、電圧が生じる。

【0016】

圧縮エマルションは、逆ミセルが互いに圧縮され、エマルション中の脂質二重層の表面が増加しているエマルションである。エマルション中の脂質二重層の表面は、逆ミセル同士の接触面積に対応する。エマルションの圧縮状態は、エマルションの内側と共にエマルションの外縁も圧縮されていることを意味しており、圧縮エマルションの内側及び外縁は、同じ形状／外観を分かち合っている。圧縮エマルションの内側及び外縁における逆ミセル同士の接触面積は、我々が「遊離エマルション」と呼び得る、非圧縮エマルションにおける逆ミセル同士の接触面積よりも大きい。逆ミセルを含むエマルションの非圧縮状態（遊離エマルション）において、逆ミセルは互いに接触しているが、これら同士の接触面積は、圧縮状態よりも小さく、遊離エマルションの外縁は、遊離エマルションの内側とは異なる形状／外観を有し、逆ミセル同士の接触面積は、遊離エマルションの内側の接触面積よりも小さいが故に、脂質二重層の表面は小さい。

【0017】

このため、エマルションの圧縮状態は、脂質二重層の大きな表面を好適に得ることを可能にし、これによって、遊離エマルションよりも多くのイオン輸送膜タンパク質を、圧縮エマルションに収容することを可能にするので、逆ミセル同士でのイオン交換の能力をより大きくすることができる。

【0018】

エマルションの圧縮状態により、圧縮エマルション１ｍＬ当たり、１．５ｍ²以上の、好ましくは１．７５ｍ²／ｍＬ以上の、好ましくは１．９ｍ²／ｍＬ以上の、より好ましくは２ｍ²／ｍＬ以上の、二重層の総面積を達成できる。このような、重要である二重層の面積の値により、遊離エマルション中よりも多くのイオン輸送膜タンパク質を組み込むことが、好適に可能となる。

【0019】

エマルションの圧縮状態により、１００個の分子／μｍ²以上、好ましくは１２０個の分子／μｍ²以上、より好ましくは１４０個の分子／μｍ²以上の、エマルション１μｍ²当たりのイオン輸送膜タンパク質の分子数に達することが可能となる。１μｍ²当たりのイオン輸送膜タンパク質のこのような分子数により、遊離エマルションでは到達不可能な、１μｍ²当たりの逆ミセル同士でのイオン輸送能力を好適に実現できる。

【0020】

圧縮エマルションは、９０％を超える水溶液と、１０％未満の脂質溶液と、を含むのが好ましい。特別な実施形態では、圧縮エマルションは、少なくとも９２％の水溶液と、８％以下の脂質溶液と、を含む。特別な実施形態では、圧縮エマルションは、少なくとも９４％の水溶液と、６％以下の脂質溶液と、を含む。

【0021】

エマルションの圧縮状態は、エマルションを遠心分離し、上清（その大部分は油相）を除去することにより得ることができる。さらに、圧縮状態は、逆ミセルを含む溶液に、タンパク質又はペプチドアンカー分子を含めることにより得ることができる。このようなタンパク質又はペプチドアンカー分子を脂質二重層に投入し、逆ミセルが互いに圧縮状態を保つようにする。

【0022】

本発明におけるナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの設計では、最先端の電気的ニューロモルフィックエンジニアリング設計を用いて達成可能なものよりも、サイズが小さいニューロモルフィックシステムを生物学的構成要素を利用して構築する。さらに、本発明のイオン輸送膜タンパク質（イオンチャネル）は、メモリスティブ機能を有し、逆ミセルのアレイを用いることで、ナノスケール～マイクロスケール規模～無限規模オーダーの、非常に大型の３次元アレイのアセンブリが可能となる。実際、非常に多くの逆ミセルを、３次元にアセンブリして、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムをもたらすことができる。

【0023】

イオン輸送膜タンパク質は、相互接続した逆ミセルのナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムによりイオン拡散を制御し、これにより、電圧を生み出す能力を備えたシステムがもたらされる。生物学的構成要素を利用することにより、この生物学的ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムは、最先端の電気的ニューロモルフィックエンジニアリングシステムと比較して、極めて低い所要入力電力で作動する。

【0024】

特定の実施形態では、本発明は、個別に、又は、これらの技術操作の組み合わせにより実施される、以下の特徴をさらに満たす。

【0025】

好適には、例えば、Ｈ⁺イオン（特に、ｐＨの差を生成する）、又はＣａ²⁺イオンの大きな勾配を生み出し、このような大きな勾配を定常状態で維持する、本発明の効率は、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム中で互いに接触する逆ミセルの数を増やすことにより向上する。接触する逆ミセルの数を増やすことにより、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム中で輸送プロセスを行うことができる区画の数が増加する（逆ミセルは、区画として確認される）。このように区画化が増えることで、輸送されることが可能なイオン（例えば、Ｈ⁺又はＣａ²⁺イオン）の量が増加し、また、イオンの移動の増加を達成するために、より多くのイオン輸送膜タンパク質を含有する膜の数も増加する。このような区画化により、複数逆ミセル区画化システムにおけるものとイオン輸送膜タンパク質の数が同じ、単一の逆ミセルのみを含有するシステムの状況よりも、より大きな勾配のイオン、例えば、Ｈ⁺イオン（ｐＨの勾配がより大きい）、又はＣａ²⁺イオンを生成可能な、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムが生成される。

【0026】

好ましい実施形態では、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムは、少なくとも０．７ｎＬ、好ましくは１ｎＬの、逆ミセルを含む溶液を備える。このように体積が小さいことで、デバイス又は電極が、デバイス又は電極の表面又は内側に含まれる、逆ミセルの小さなクラスターを含むことができ、ｐＨの局所勾配を生み出す。

【0027】

好ましい実施形態では、逆ミセルを含む溶液でのイオン輸送膜タンパク質の濃度は、少なくとも１０ｎＭである。

【0028】

上で定義したシステムの一実施形態では、システムは、一連の逆ミセルを形成するように接触した、少なくとも１５個の逆ミセルであって、逆ミセル同士の各接点が、少なくとも１個の起電性対向輸送体を含む、逆ミセルを備える。一連の１５個の逆ミセルは、ｐＨの勾配、又は電圧の勾配のいずれかに対して最大で到達可能な応答の９０％超を生み出す。システムは、接触して一連の逆ミセルを形成する、１５個未満の逆ミセルで機能するものの、最大で到達可能な出力の割合が低下する。逆に、システムは、接触して一連の逆ミセルを形成する、１５個を超える逆ミセルで機能するものの、出力は、最大で到達可能な出力付近に達する。

【0029】

上で定義したシステムの別の実施形態では、プロトン交換において、イオン輸送膜タンパク質により輸送されることができる少なくとも１つのイオンは、ナトリウム（Ｎａ⁺）、リチウム（Ｌｉ⁺）から選択される。

【0030】

上で定義したシステムの別の実施形態では、イオン輸送膜タンパク質は、膜貫通タンパク質ＮｈａＡである。タンパク質ＮｈａＡは、起電性対向輸送体である。特定の実施形態では、イオン輸送膜タンパク質は、大腸菌由来のタンパク質ＮｈａＡである。大腸菌のＮｈａＡオルソログ、例えば、ヘリコバクター・ピロリ、カテヌリスポラ・アシディフィア、サリニスポラ・アレニコラ、デフェリバクター・デサルフリカンズ、アシディチオバチルス・フェリボランズ、又はハロルブラム・バクロラクタム由来のＮｈａＡタンパク質を、本発明のシステムで用いることができる。ＮｈａＡタンパク質を産生する生体は、異なる塩度、ｐＨ、及び温度条件にて生存する。これらのＮｈａＡタンパク質を用いることで、本発明のシステムを、さほどストリンジェントでない条件に適応させて、例えば、より広範囲のｐＨで機能することができるようになるはずである。

【0031】

上で定義したシステムの別の実施形態では、イオン輸送膜タンパク質は、大腸菌ＮｈａＡタンパク質のＡ１６７Ｐ変異体である。この変異は、ＮｈａＡタンパク質配列の１６７位のアラニン（Ａ）の、プロリン（Ｐ）での置換に対応する。この変異体により、７．５個のＨ⁺に対して１個のＬｉ⁺を有利に交換できるようになり、これにより、一層強力な電荷勾配が生成される。大腸菌由来のＮｈａＡタンパク質の配列は既知であり、受託番号ＮＣ＿０００９１３、ＮＣ＿０００９１３．３（ヌクレオチド配列）、及び、受託番号ＮＰ＿４１４５６０、ＮＰ＿４１４５６０．１（ペプチド配列）として、ＮＣＢＩ ＧｅｎＢａｎｋデータベースにて入手可能である。大腸菌のＮｈａＡタンパク質のＡ１６７Ｐ変異体の配列は、本特許出願と共に提出した配列表に示される、配列番号１である。

【0032】

別の実施形態では、上で定義したシステムは、少なくとも１つのイオン、例えば、Ｈ⁺イオン又はＣａ²⁺イオンの交換において、イオン輸送膜タンパク質により輸送されることができるイオンを供給するように構成される第１のタンクと、イオン輸送膜タンパク質により輸送されることができるイオンを隔離するように構成される第２のタンクと、を含み、第１のタンク及び第２のタンクは、逆ミセルを含む溶液のそれぞれの側に配置されている。これら第１及び第２のタンクが存在することは、逆ミセルを含有する溶液中でイオン勾配を生成する、及び、故に、例えば、このような勾配が存在する中で、プロトンＨ⁺とイオンとを交換するイオン輸送膜タンパク質によって、電圧を生じさせることができる一因である。

【0033】

特定の実施形態では、第１のタンクにより供給され、第２のタンクにより隔離されるイオンは、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）又はリチウムイオン（Ｌｉ⁺）である。Ｎａ⁺又はＬｉ⁺を供給し、隔離するこれら第１及び第２のタンクによって、逆ミセルを含有する溶液中でナトリウムイオン又はリチウムイオンの勾配を生成することが可能となり、故に、このような勾配が存在する中で、プロトンＨ⁺と、ナトリウム又はリチウムイオンとを交換する、例えばＮｈａＡ対向輸送体などのイオン輸送膜タンパク質により、電圧を発生させることが可能となる。

【0034】

上で定義したシステムの別の実施形態では、システムは、カソードとアノードとを含む。カソード及びアノードは、生成されたイオン勾配を電流に変換することを可能にする、容量性又は電気化学的酸化／還元電極である。

【0035】

本発明のシステムは、システムと生細胞との間で、シナプス接続の自己集合を可能にする生物学的シグナル伝達メカニズムを用いる生物学的構成要素で構成されるため、システムを埋め込んで用いる場合に対して、生細胞（神経及び筋肉など）に対して安定し、かつ生体適合性の接続を形成することができる。したがって、別の態様の下では、本発明は、埋込型医療デバイス、非埋込型医療デバイス、又は、ノマド消費者向け電子デバイス用の電圧源として、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを用いることに関する。

【0036】

特定の実施形態では、本発明は、哺乳類の生細胞及び体組織と接触させ、細胞及び組織のイオン及び化学応答を感知する、又は、イオンシグナルをもたらして、細胞及び組織の生体応答に影響を及ぼすために、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを用いることに関する。

【0037】

別の態様の下では、本発明は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの製造方法であって、
－脂質溶液の調製工程と、
－イオン輸送膜タンパク質を含む水溶液を脂質溶液に、一滴ずつ加える工程であって、脂質溶液／水溶液の体積比を２とすることで、エマルションである、逆ミセルを含む溶液を作製する工程と、
－逆ミセルを細分化して、逆ミセルのサイズを低下させ、逆ミセルの数及びエマルションの均質性を増加させる工程と、
－逆ミセルを互いに圧縮して、作製される脂質二重層の表面を増加させる工程と、
を含む、方法に関する。

【0038】

水溶液を脂質溶液に一滴ずつ加える場合、水溶液の滴はすぐさま、双極性脂質により囲まれ、これにより、個別化したまま逆ミセルを生成する。したがって、逆ミセルは（エマルションの疎水性相として知られている）脂質溶液中に存在し、脂質層により境界が定められる（エマルションの水相として知られている）水溶液を含有するベシクルとして定義することができる。

【0039】

脂質溶液の調製は、脂質を、鉱油などの油に加えることで実現することができる。一例として、脂質は、ヘキサデカンに溶解したアゾレクチンの溶液により供給される。水溶液の例としては、１０～３０μｇ／ｍＬのイオン輸送膜タンパク質を含む、トリスＨＣｌ緩衝液（２５ｍＭ）及びトリスＫＣｌ緩衝液（２５０ｍＭ）がある。水溶液は界面活性剤を含むのが好ましい。界面活性剤は有利に、エマルションを安定化させる。好適には、１～９の親水性－親油性バランス（ＨＬＢ）値を備える界面活性剤を用いる。特定の実施形態では、用いる界面活性剤は、ｎ－ドデシル－β－Ｄ－マルトシド（ＤＤＭ）（２０～３０μＭ）である。高濃度の塩（例えば、２５０ｍＭのＫＣｌ）を用いることで、及び、ＭｇＣｌ₂又はグリセロールが存在することによってもエマルションの安定性を得ることができる。ピッカリング効果も、エマルションの安定性を向上させるために用いることができる。

【0040】

逆ミセルの細分化は、溶液を撹拌することで実現することができる。例えば、ピペットを用いたフラッシュ技法などの、機械撹拌を適用することができる。細分化工程により、逆ミセルのサイズを低下させることが可能になり、逆ミセルの数、及びエマルションの均質性が増加する。得られた逆ミセルは、サイズが非常に不均質であり、数百マイクロメートルオーダーである。

【0041】

表面積の多分散度が、０．０１５μｍ～１５０μｍ、好ましくは０．０２０μｍ～１５０μｍ、より好ましくは１～１５０μｍの範囲にある逆ミセルを含有するエマルションを得るために、第２の細分化工程を適用することができる。細分化のこの第２工程は、例えば、２つのシリンジ間で逆ミセルを含む溶液を迅速に移動させる等の、機械細分化とすることができる。

【0042】

逆ミセルを互いに圧縮することにより、ミセル間の脂質二重層の数を増加させることができ、故に、逆ミセルを含む溶液中での、脂質二重層の表面全体を増加させることができる。脂質二重層に配置されたイオン輸送膜タンパク質の数を増加させることで、ミセル間での、プロトンのより良い循環も可能である。好ましい実施形態では、圧縮エマルション１ｍＬ当たり、１．５ｍ²以上の、好ましくは１．７５ｍ²／ｍＬ以上の、好ましくは１．９ｍ²／ｍＬ以上の、より好ましくは２ｍ²／ｍＬに等しい、二重層の総面積に到達させるために、逆ミセルを互いに圧縮する工程が実施される。

【0043】

実施方法によれば、圧縮工程は、エマルションを遠心分離することにより実現することができる。例えば、１３，４００ＲＰＭで３分間の遠心分離をすることができる。この後、上清（大部分は脂質溶液）は除去する。

【0044】

別の実施形態の下では、本発明は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを用いる電圧の生成方法であって、逆ミセルを含む溶液に、溶液中に存在するイオン輸送膜タンパク質により、プロトンＨ⁺に対して特異的に交換可能なイオンを供給して、逆ミセルを含む溶液中でイオンのイオン勾配を適用する工程を含む、方法に関する。

【0045】

電圧を生成する方法の特別な実施形態では、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムに含まれるイオン輸送膜タンパク質は、大腸菌由来の膜貫通タンパク質ＮｈａＡ、又は、大腸菌ＮｈａＡタンパク質のＡ１６７Ｐ変異体であり、逆ミセルを含む溶液に供給されるイオンはナトリウムイオン又はリチウムイオンであり、それぞれ、溶液中にナトリウム勾配又はリチウム勾配をもたらす。

【0046】

別の態様の下では、本発明は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを含む燃料電池に関する。このような燃料電池は、一般的な用法での「バッテリー」ともまた呼ぶことができる。

【0047】

このようなバッテリーは、埋込型医療デバイス、非埋込型医療デバイス、又は、ノマド消費者向け電子デバイス用の電圧源として用いることもまた可能である。

【図面の簡単な説明】

【0048】

本発明は、非限定例として与えられる以下の説明を、以下の図面を参照しながら読むことで、よりよく理解されるであろう。

【図1】図１は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの製造方法の細分化工程後に得られるエマルションの図面Ａを表し、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの製造方法の圧縮工程後に得られる圧縮エマルションの図面Ｂを表し（イオン輸送膜タンパク質は表さない）、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの製造方法の圧縮工程後に得られる圧縮エマルションの図面Ｃを表し（非活性化イオン輸送膜タンパク質を黒正方形で表す）、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの製造方法の圧縮工程後に得られる圧縮エマルションの図面Ｄを表し、非活性化（黒正方形）及び活性化（白正方形）されたイオン輸送膜タンパク質が当該イオン輸送膜タンパク質によりプロトンＨ⁺と特異的に交換可能なイオンのイオン勾配の存在下に示されている。

【図2】図２は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの圧縮エマルションが、第１のタンクと第２のタンクとの間に配置され、第１のタンクがプロトンと交換されてイオン輸送膜タンパク質（NhaA）により輸送されることが可能なイオン（Na⁺）を供給し、第２のタンクが当該イオンを隔離するように構成されている、本発明の一実施形態の図面Ａを表し、イオン勾配（Na⁺勾配）が、圧縮エマルションに存在するイオン輸送膜タンパク質（NhaAタンパク質）によって圧縮エマルションの適切な位置に存在し、第１のタンクから第２のタンクにＮａ⁺の輸送を行う、（A）におけるものと同じ実施形態の図面Ｂを表す。

【図3】図３Ａは、６３倍の対物レンズ（顕微鏡視野内でのミセルの直径は、１～５μｍ）を備えた共焦点顕微鏡により撮影した、圧縮エマルションの画像を表し、この画像上には、２つの逆ミセルの間での、分極脂質二重層での起電性対向輸送体（NhaAタンパク質）と、Ｎａ⁺イオンがカソード（第１のタンクの役割を果たす）により圧縮エマルションに供給され、アノード（第２のタンクの役割を果たす）により隔離される場合の、起電性対向輸送体によるプロトン２Ｈ⁺及びＮａ⁺イオンの移動が描かれている。図３Ｂは、６３倍の対物レンズ（エマルション中のミセルの直径は、１～５μｍ）を備えた共焦点顕微鏡により撮影した、圧縮エマルションの画像を示し、この画像上には、プロトン２Ｈ⁺及びＮａ⁺イオンの移動が描かれている。図３Ｃは、６３倍の対物レンズを備えた共焦点顕微鏡により撮影した、圧縮エマルションの画像を示し、この画像上には、プロトン２Ｈ⁺及びＮａ⁺イオンの移動が描かれている。図３Ｄは、Ｃよりも拡大倍率を小さくした、圧縮エマルションの概略図を示し、この画像上には、プロトン２Ｈ⁺及びＮａ⁺イオンの移動と、Ｎａ⁺イオンがカソードにより圧縮エマルションに供給され、アノードにより隔離される箇所とが描かれている。

【図4】図４は、圧縮エマルションの形態の本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムと、カソードと、アノードとを封入する、密封封止されたエンベロープを含む燃料電池の縦断面の図Ａを表し、当該バッテリーの横断面の図Ｂを表す。

【図5】図５は、２つの逆ミセル間の脂質二重層に組み込まれた、イオン輸送膜タンパク質としてのＮｈａＡタンパク質による、イオン輸送の数学的モデルを図解した図面を表す。

【図6】図６は、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムのモデルに由来する一連の接触する逆ミセルの数に関する、定常状態でのＨ⁺イオンの勾配（ΔpH）のグラフ表示を示す。

【図7】図７は、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムのモデルに由来する一連の接触するミセルの数に関する、定常状態での電圧の勾配（ΔVm）のグラフ表示を示す。

【図8】図８は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムにおける、ミセルの断面面積の分布のグラフ表示を示す。

【0049】

これらの図面において、ある図面と他の図面における、同じ番号の参照は、同一又は同様の要素を示す。さらに、明確性の理由から、別途記載のない限り、図面は縮尺どおりではない。

【発明を実施するための形態】

【0050】

以下の説明は、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムであって、逆ミセルを含む溶液がエマルションである、システムの作製の詳細について記載している。以下の説明において記載する手順は、本発明を開示するための好ましい手順である。以下の詳細な説明において、記載される実施形態は、イオン輸送膜タンパク質が、少なくとも１つのイオンの逆交換により、プロトンＨ⁺を一の逆ミセルから他の逆ミセルに輸送することを可能とする、起電性対向輸送体である、本発明の実施形態である。

【0051】

［大腸菌由来の単離ＮｈａＡタンパク質を得るための手順］
タンパク質産生は、Kubicekらに基づく手順に従った（“Expression and purification of membrane proteins”, Methods in Enzymology 2014, 541, 117-140）。ＮｈａＡタンパク質遺伝子を、過剰発現のためにプラスミドベクターｐＥＴ１５ｂ（Novagen（登録商標））を用いて、大腸菌株Ｃ４３（DE3）に導入した。６００ｎｍでの光学密度（OD600）が０．４に達するまで、細胞を３７℃で、ＬＢ培地を含有するアンピシリン中で培養した。次に、２００μｍのＩＰＴＧ（イソプロピル－β－Ｄ－１－チオガラクトピラノシド）を培地に加え、ＮｈａＡ遺伝子の過剰発現を誘発した後、５時間さらに培養した。得られた細胞を、８０００ｒｐｍで５分間の遠心分離により回収し、ペレットを形成した。

【0052】

精製のために、ペレットをまず、２０ｍＭのトリス、５００ｍＭのＫＣｌ、１０ｍＭのイミダゾール、並びに、１２．６％（v/v）グリセロール、加えて、リゾチーム及びベンゾナーゼヌクレアーゼを含有する結合緩衝液と共に３０分間インキュベートした。インキュベートした細胞をフレンチプレスセル内で破壊し、続けて、１４０００ｒｐｍで２０分間の遠心分離にかけた後、３６０００ｒｐｍで２時間の超遠心分離にかけ、可溶性構成成分から膜画分を分離した。次に、膜画分を、追加の２０ｍＭのＤＤＭを含む結合緩衝液中に再懸濁させ、一晩インキュベートした。固定化金属アフィニティークロマトグラフィーカラム（Ni－NTAアガロース、Qiagen）を用いて精製を行った。カラムをまず、結合緩衝液で平衡化した後、膜画分を２時間インキュベートした。洗浄緩衝液で洗い流した後、精製ＮｈａＡを、２０ｍＭのトリス、５００ｍＭのＫＣｌ、３００ｍＭのイミダゾール、１２．６％（w/v）のグリセロール、及び２２５μｍのＤＤＭの溶出緩衝液中に、０．５～２ｍｇ／ｍＬ、好ましくは０．７５ｍｇ／ｍＬの濃度で回収した。

【0053】

［脂質溶液を得るための手順］
脂質溶液は脂質で構成され、まず脂質を、３５０ｍｇ／ｍＬ～１ｇ／Ｌ、例えば５００ｍｇ／ｍＬの濃度でヘキサデカンに溶解する。用いる脂質は、アゾレクチン（ホスファチジルエタノールアミン（PE）、ホスファチジルイノシトール（PI）、ホスファチジルコリン（PC））などの脂質の標準的な混合物若しくは純粋な脂質、又は、異なる範囲の濃度の脂質の混合物（即ち、PC／カルジオリピン（CL））、又は、モノガラクトシルジアシルグリセロール（MGDG）、ジガラクトシルジアシルグリセロール（DGDG）、スルホキノボシルジアシルグリセロール（SQDG）などの植物脂質、又は、古細菌（ジフィタニル脂質、エーテル脂質）由来の脂質、又は合成脂質であることができる。古細菌由来の脂質は、脂質溶液及びエマルションに対して、より高い安定性を有利にもたらす。アゾレクチンは乳化剤である。

【0054】

次に、この第１の溶液を、鉱油に１／１００で溶解し、最低３．５ｍｇ／ｍＬ、通常５ｍｇ／ｍＬの脂質濃度を得る。鉱油は、飽和アルカン（Ｃ７～Ｃ４０）の混合物を含む。

【0055】

［水溶液を得るための手順］
水溶液を得るために、精製工程において得た溶出緩衝液中の０．７５ｍｇ／ｍＬのＮｈａＡタンパク質に由来する１０～６０μＬのＮｈａＡタンパク質（理想は４０μＬ）を、以下を含むあらかじめ調製した５００μＬの溶液に加える。

【0056】

－トリス（２５ｍＭ、ｐＨ７）（他の種類の緩衝液、例えば、リン酸カリウム緩衝液又はＨｅｐｅｓを用いることができるが、Ｎａ⁺を含有してはならない；これにより、ＮａＯＨを形成してｐＨが平衡するのを防ぐ）
－ＫＣｌ（２５０ｍＭ）（１５０～３００ｍＭ、Ｎａ⁺又はＬｉ⁺を除く他の塩を用いることができる）。３００ｍＭを超えると脂質が不安定になるリスクがあり、１５０ｍＭを下回ると、Ｎａ⁺を加える際に、全体の浸透圧モル濃度が変化するリスクがある。
－グリセロール（３％）（０～３％）
－ＭｇＳＯ₄（１％）（０～１％）

【0057】

［逆ミセルを含む溶液が圧縮エマルションである、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムの調製］
まず、上述のとおりに調製した１ｍＬの脂質溶液をチューブに加える。この脂質溶液は、進行中のエマルションの疎水性相を表す。

【0058】

次に、上述のとおりに調製した、ＮｈａＡタンパク質（イオン輸送膜タンパク質）を含む水溶液（５００μＬ）を、ピペットを用いて一滴ずつ、チューブに加える。水溶液は、進行中のエマルションの水相を表す。水相は、エマルションの不連続相である。２に等しい脂質溶液／水溶液の体積比が重視される。

【0059】

水溶液の滴はすぐさま、双極性脂質により取り囲まれるため、チューブの底で個別化したままとなる。本工程は、エマルションと呼ぶことができる、溶液中での逆ミセルの生成を導く。ＤＤＭ界面活性剤の存在下において、水溶液中に存在するＮｈａＡ起電性タンパク質は、逆ミセル同士の接点にて形成される脂質二重層に、自然に局在化する。ＮｈａＡ起電性タンパク質は無作為に配向される。

【0060】

次の工程は、逆ミセルを細分化し、逆ミセルのサイズを小さくして、逆ミセルの数、及びエマルションの均質性を増加させる、第１の細分化工程に対応する。本工程を実現するために、逆ミセルを含む溶液を、ピペットによるフラッシュ技術を用いて、機械撹拌する。約２０回のフラッシュが、ピペットにより行われる。エマルションは、乳汁状／乳状の外観をとる。得られた逆ミセルは、サイズが非常に不均質であり、数百μｍオーダーである。エマルションはここで、均質となる。

【0061】

多分散度が１～１５０μｍの範囲にあり、最大値が１μｍ付近にあるベルカーブの形状を有するエマルションを得るために、第２の細分化工程を適用する。この第２の細分化は、２つのシリンジ間でエマルションを速やかに移動させることにより、機械的に実現される。

【0062】

得られたエマルション１０（図１Ａ）は、水溶液１２の２倍の量の、脂質溶液１１（３３％の水溶液、及び、６６％の脂質溶液）を含む。

【0063】

次に、脂質二重層１３の数を増やしてエマルション１０の中での脂質二重層１３の表面全体、及び、脂質二重層中に配置される（逆ミセル１４間でのプロトンの循環を向上させる）イオン輸送膜タンパク質１５の数を増やすために、逆ミセルを互いに圧縮する工程を行う。本工程は、１３，４００ＲＰＭで３分間、チューブ内でエマルションを遠心分離することにより実現される。次に、上清（大部分は脂質溶液）を捨てる。チューブには、イオン輸送膜タンパク質１５が脂質二重層１３中に配置された、圧縮エマルション１０（図１Ｂ、１Ｃ）が残る。この圧縮エマルション１０は、９２％の水溶液１２と、８％の脂質溶液１１とを含む。圧縮エマルション１０中では、圧縮された逆ミセル１４は多面体形状を有する。逆ミセルの表面積の対数分布が、エマルションの画像を分析することにより得られる（図８）。

【0064】

［本発明の圧縮エマルションによる電圧の生成］
上で記載したとおり、脂質溶液１１をほぼ完全に除去した。圧縮エマルション１０の中には、脂質溶液１１は８％しか残っておらず、脂質溶液の疎水性相を発現する。疎水性相は、逆ミセル同士の界面により発現する。これらの界面は、ネットワーク内で接続された脂質二重層１３である。疎水性相は絶縁性であり、水溶液１２により発現する導電性水相は逆ミセル１４中に隔離されているため、圧縮エマルション１０の形態でのナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムも、絶縁性である。

【0065】

水溶液により提供されるイオン輸送膜タンパク質１５は、逆ミセル１４同士の接点に形成される脂質二重層１３に局在化している。脂質二重層１３のいずれかの側に、Ｌ⁺又はＮａ⁺と、Ｈ⁺とのイオン差が存在しない場合、イオン移動は発生しない。イオン輸送膜タンパク質１５は活性化されない（図１Ｃにおける黒の正方形）。

【0066】

イオン輸送膜タンパク質１５により、Ｈ⁺に対して特異的に交換可能なイオン、例えば、ＮｈａＡタンパク質におけるＮａ⁺又はＬｉ⁺（図１Ｄ）が圧縮エマルション１０に供給される場合、イオン輸送膜タンパク質１５は、脂質二重層１３の両側にイオン差がある場合にのみ活性化される（図１Ｄにおける白の正方形）。イオン濃度が等しい２つの領域を分離する脂質二重層１３の面に位置するイオン輸送膜タンパク質１５は、不活性のままである（図１Ｄにおける黒の正方形）。存在する場合、イオン濃度の差は、一定方向へのイオン移動を生み出し、それ故に、イオン勾配及び電圧を生成する。

【0067】

特別な実施形態では、逆ミセルを含む溶液（ここでは、圧縮エマルション１０）にイオン勾配を適用し、電圧を生成するために、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムは、圧縮エマルション１０中に存在するイオン輸送膜タンパク質１５により、プロトンＨ⁺に対して特異的に交換可能なイオンを供給するように構成される第１のタンク１６と、イオンを隔離するように構成される第２のタンク１７と、を含み（図２Ａ）、第１のタンク１６及び第２のタンク１７は、圧縮エマルション１０の一方にそれぞれ配置されている。もちろん、第１のタンク１６は圧縮エマルション１０と接することで、第１のタンク１６が供給するイオンが、第１のタンク１６を通って圧縮エマルション１０に進むことができる。第２のタンク１７もまた、圧縮エマルション１０と接することで、イオン輸送膜タンパク質１５により圧縮エマルション１０を通過したイオンが、第２のタンク１７に捕捉できる。

【0068】

第１のタンク１６により供給され、第２のタンク１７により隔離されるイオンは、イオン輸送膜タンパク質１５がＮｈａＡタンパク質である、又は、Ｎａ⁺若しくはＬｉ⁺イオンの交換時にプロトンを輸送する別のイオン輸送膜タンパク質１５である場合に、例えば、Ｎａ⁺イオン又はＬｉ⁺イオンであることができる。図２Ａ及び２Ｂに示す実施形態では、供給され隔離されるイオンは、Ｎａ⁺イオンである。

【0069】

図２Ｂに示すように、脂質二重層１３内に位置するイオン輸送膜タンパク質１５によって、及び、最初は、第１のタンク１６と逆ミセル１４との間でのイオン濃度の差、次いで、異なる逆ミセル１４間でのイオン濃度の差によって、ナトリウムＮａ⁺は第１のタンク１６を離れ、圧縮エマルション１０を通り第２のタンク１７で隔離され、これによって、圧縮エマルション１０中にナトリウム勾配が生み出される。

【0070】

図３に表す実施形態では、イオン輸送膜タンパク質１５はＮｈａＡタンパク質であり、用いるイオン勾配は、ナトリウム（Na⁺）勾配である（図３Ａ）。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、及び３Ｄに示すように、Ｎａ⁺は脂質二重層１３の右側に、Ｈ⁺は左側に進む（一定方向へのイオン移動）。

【0071】

特定の実施形態では、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムは、第１及び第２のタンク（１６、１７）の役割を果たす容量性又は電気化学的酸化／還元電極と、（第１のタンク１６の役割を果たす）カソード１８と、（第２のタンク１７の役割を果たす）アノード１９と、を含む（図３Ｄ）。これらの電極により、生み出されたイオン勾配を電流に変換することができる。したがって、好適には、本発明の態様の１つは、圧縮エマルション１０、カソード１８、及びカソード１９の形態の、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを含む燃料電池２０（一般的にバッテリーとも呼ばれる）である（図４Ａ、４Ｂ）。好適には、燃料電池２０は、埋込型医療デバイスを駆動するために、哺乳類に埋め込み可能である。

【0072】

［エマルションの形態のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを含む燃料電池：埋込型燃料電池の実現］
特別な実施形態では、燃料電池２０は、圧縮エマルション１０の形態でナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムと、カソード１８と、アノード１９とを封入する、密封封止されたエンベロープ２１を含む。

【0073】

エンベロープ２１は、イオン及び分子を透過可能である。エンベロープ２１は、燃料電池２０の、エンベロープ２１以外の他の構成要素を、哺乳類の体と接触させないことにより、燃料電池２０を哺乳類の体内に埋め込み可能にする利点をもたらす。一例として、エンベロープ２１は、ポリビニルアルコール（PVA）ヒドロゲル製である。ＰＶＡヒドロゲルは、イオン及び分子を透過可能である。エンベロープ２１は、封止チューブの形態をとるのが好ましい（図４）。

【0074】

カソード１８は、導電性材料２３で覆われ、容量性材料２４が含浸された（イオン伝導及び電導を行う）不活性支持体２２と、不活性支持体２２の厚みの中に位置する第１のコレクタ２５と、を含む。

【0075】

本実施形態では、不活性支持体２２は中空円筒形状をとり、架橋型ポリウレタン発泡体製である。ポリウレタン発泡体は、導電性多孔質炭素層である導電性材料２３で覆われ、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（PEDOT:PSS）である容量性材料２４が含浸されている。少なくとも１つ、好ましくは６つの金ワイヤが、不活性支持体２２の厚みの中に位置するコレクタ２５として機能する。金の代わりに、ワイヤは、例えば、錫引き銅製とすることができる。

【0076】

第１のコレクタ２５は、不活性支持体２２から、エンベロープ２１を通って燃料電池２０の外側まで延びる。第１のコレクタ２５は、少なくとも、不活性支持体２２から燃料電池２０の外側まで延びる部分が覆われている。第１のコレクタ２５の外装２６は、ポリエステル製が好ましい。

【0077】

大きくなった表面積を有するカソード１８は、多数の、圧縮エマルション１０の分極した脂質二重層１３と密接している。

【0078】

アノード１９は、細長状の微孔性導電性材料２８を封入する、イオン透過性カバー２７と、微孔性導電性材料２８の厚さの中に位置する第２のコレクタ２９と、を含む。

【0079】

イオン透過性カバー２７は、ＰＶＡヒドロゲル製が好ましい。

【0080】

本実施形態では、微孔性導電性材料２８は、微孔性炭素（２０％～８０％）、二硫化モリブデン（MoS2）（２０％～８０％）、還元酸化グラフェン（rGO）（２０％～８０％）、及び、ポリアクリル酸（PAA）（５～４０％）の混合物を含む。

【0081】

微孔性炭素及び還元酸化グラフェンと組み合わせた形態の、アノード中の二硫化モリブデンによって、ナトリウムイオンを隔離することができる。

【0082】

少なくとも１つ、好ましくは６つの金ワイヤが、微孔性導電性材料２８の厚みの中に位置する第２のコレクタ２９として機能する。金の代わりに、ワイヤは、例えば、錫引き銅製とすることができる。

【0083】

第２のコレクタ２９はカバー２７を通り、カバー２７からエンベロープ２１を通って、燃料電池２０の外側まで延びる。第２のコレクタ２９は、少なくとも、カバー２７から燃料電池２０の外側まで延びる部分が覆われている。第２のコレクタ２９の外装３０は、テフロンとも呼ばれるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）製であるのが好ましい。

【0084】

アノード１９は、その表面領域が、多数の、圧縮エマルション１０の分極した脂質二重層１３と密接し、カソード１８の中空円筒状不活性支持体２２のほぼ中心に配置され、カソード１８とアノード１９の間に圧縮エマルション１０が存在する。

【0085】

［カソード１８の製造］
カソード１８は、多孔質材料、ここでは、導電性材料２３（ここでは、導電性インク）を含浸させることで導電性が付与されたポリウレタン発泡体である、不活性支持体２２を利用することにより形成されるのが好ましい。導電性インクは、活性炭（１００ｍｇ～３００ｍｇ）、ＭｏＳ₂（２００ｍｇ）、ｒＧＯ（４０ｍｇ）、及びＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（１００μＬ）を組み合わせることにより作製される。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは、２種類のイオノマーの、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）とポリ（スチレンスルホネート）（PSS）のポリマー混合物である。好適には、ポリウレタン発泡体の含浸は、Ｔｗｅｅｎ（登録商標）２０などの洗浄剤を、蒸留水中で０．８％～２０％に希釈して加えることにより補助される。あるいは、カソード１８は、活性炭フィルターとして用いるように設計されており、当業者に既知のエレクトロニクス供給企業から入手可能な発泡体などのポリウレタン発泡体を、当該ポリウレタンに活性炭を既に含めることで、既に導電性を付与した不活性支持体２２として用いて構築することができる。この、代替の構築方法において、導電性ポリウレタン発泡体は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、エチレングリコール（２００μＬ）、及び、洗剤のＴｗｅｅｎ（登録商標）２０（蒸留水に１％希釈）を含む溶液で被覆される。

【0086】

次に、第１のコレクタ２５の覆われていない部分を、ポリウレタン発泡体に挿入する。

【0087】

［アノード１９の製造］
アノードは、ペースト形態で微孔性導電性材料２８をもたらすための、いくつかの構成要素で作製される。ペーストを作製するためのこれらの構成要素としては、活性炭（１００ｍｇ～３００ｍｇ）、ＭｏＳ₂（２００ｍｇ）、ｒＧＯ（４０ｍｇ）、ＰＡＡ（２００ｍｇ）、及び蒸留水（４ｍＬ）が挙げられる。好適には、ペーストの導電性は、ペーストに、２種類のイオノマーの、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）とポリ（スチレンスルホネート）（ＰＳＳ）のポリマー混合物である、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの溶液（１００μＬ）を加えることにより向上させることができる。

【0088】

微孔性導電性材料２８の準備ができたら、当該材料を細長状にし、長さに沿って溝を設ける。次に、第２のコレクタ２９の覆われていない部分を溝に挿入し、微孔性導電性材料２８自体を、その長さに沿ってヒダにより閉じ、溝の中に位置する第２のコレクタ２９の部分を完全にカバーする。

【0089】

次に、微孔性導電性材料２８を、ＰＶＡヒドロゲルのカバー２７の中に封止する。当該材料は、ＰＶＡヒドロゲルの自己修復により密封封止される。第２のコレクタ２９の覆われた部分は、カバー２７を通って、当該カバー２７の外側まで延びる。

【0090】

［燃料電池の製造］
アノード１９は、中空円筒状発泡体のカソード１８の中央に挿入される。

【0091】

次に、カソード１８とアノード１９の両方が、ＰＶＡヒドロゲル内のチューブ状エンベロープ２１に挿入される。次に、エンベロープ２１が圧縮エマルション１０で満たされ、ＰＶＡヒドロゲルの自己修復により密封封止される。カソード１８及びアノード１９は、これらの間に圧縮エマルション１０が存在するように配置される（図４Ａ、４Ｂ）。

【0092】

第１のコレクタ２５の覆われた部分、及び、第２のコレクタ２９の覆われた部分は、エンベロープ２１を通って当該エンベロープ２１の外側まで延びる。第１のコレクタ２５及び第２のコレクタ２９の、これらの覆われた部分は、例えば、埋込型又は非埋込型医療デバイスに接続することができる。

【0093】

燃料電池の形態の、ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムを用いることで、カソード１８がＨ⁺イオンを捕捉し、アノード１９がＮａ⁺イオンを捕捉するようになる。実際、燃料電池２０が稼働しているとき、Ｎａ⁺イオンは、イオン及び分子を透過可能であるため、エンベロープ２１を通過することにより、エンベロープ２１の外側から（任意のＮａ⁺イオン源から）燃料電池２０に（エンベロープ２１の内側に）もたらされる。燃料電池２０に入ってくるこれらのＮａ⁺イオンは圧縮エマルション１０を通過し、アノード１９により捕捉されることで、圧縮エマルション１０内でナトリウムイオン勾配を形成する。ナトリウムイオン勾配が生み出されることで、圧縮エマルション１０を通るナトリウムイオン勾配とは反対方向にＨ⁺イオン勾配が生成され、カソード１８がＨ⁺イオンを捕捉する。カソード１８及びアノード１９は、生み出されたイオンＮａ⁺及びＨ⁺勾配を電流に変換する。したがって、電子デバイスは、電子デバイスが第１のコレクタ２５及び第２のコレクタ２９に接続している場合に、燃料電池２０により駆動することができる。

【0094】

［ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム中での逆ミセルの最適数の計算］
ナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステム中での、逆ミセルの最適数の特徴は、生体模倣ニューロフィリックシステムのイオン輸送モデリング（図５）により測定され、逆ミセルの数と、Ｈ⁺イオン（pH）の定常状態勾配との関係を図６に示す。ｐＨ勾配は、膜で生成する電圧とも直接対応している（図７）。

【0095】

本発明者らは、２つの逆ミセル間の脂質二重層膜に配置された、イオン輸送膜タンパク質としてのＮｈａＡタンパク質による、イオン輸送の数学的モデルを開発した。

【0096】

図５に示すように、Ｎａ⁺及びＨ⁺イオンは、それぞれａ及びｃの結合速度で逆ミセル１内で競合して、ＮｈａＡイオン輸送膜タンパク質の活性部位Ｃ₁₂に結合する。この段階で、ＮｈａＡ対向輸送体は、逆ミセル１に活性部位を、そして、逆ミセル２に不活性部位を有する。簡略化するために、Ｈ⁺ ₁が２個のプロトンを表し、Ｎａ⁺ ₁が、逆ミセル１内のナトリウムイオンであるとする。ＮｈａＡ対向輸送体は、交互アクセスの原理に従い作用する。あるイオンが、単独の基質結合部位に結合して、錯体ＨＣ₁₂又はＮａＣ₁₂のいずれかを生成すると、熱力学的に好ましいコンフォメーション変化によって、イオン及び活性部位の両方を、それぞれｋ₁₂及びｆ₂₁の速度で、膜の他の側に移動させる。活性部位移動のこのようなメカニズムにより、あらゆるさらなるイオン漏出が防がれる。逆ミセル２中では、錯体ＨＣ₂₁及びＮａＣ₂₁が、それぞれｂ及びｄの速度で、活性部位Ｃ₂₁、並びにイオンＨ⁺ ₂及びＮａ⁺ ₂に解離する。ｐＨはＨ⁺イオンの量を測定するため、Ｎａ⁺及びＨ⁺イオンの競合は、活性なｐＨ感知メカニズムの存在を援用することなく、ＮｈａＡ対向輸送体のｐＨ依存性を説明するには十分であることが示されている。

【0097】

本発明者らはまず、単一膜での輸送の事例を調査し、その後、単純な一連の逆ミセルでの、そして最後に、複雑な３Ｄ形状での輸送の事例を調査した。本モデルでは、一連の逆ミセルは全て、同じ容積を有するものとする。一般的に、逆ミセルの容積は、イオンの平均拡散距離よりもはるかに大きい可能性がある。それ故に、本発明者らは、イオン輸送膜タンパク質の活性部位と反応できない逆ミセルのバルクにおいても、イオンが拡散する（即ち、イオンが、イオン輸送膜タンパク質が位置する膜から遠く離れて移動することができる）可能性を含めた。表面のＨ⁺、Ｎａ⁺におけるイオンと、バルクのＨ^+*、Ｎａ^+*で拡散するイオンの移動速度はそれぞれ、λ及びγである。

【0098】

逆ミセル１中での構成要素の濃度（［ｎＭ］で測定）の時間発展を説明する微分式のシステム（ODEシステム１）は、以下のとおりである：

【数1】

式中、ａ及びｃは、［1/(s nM)］で測定し、ｂ、ｄ、ｋ、及びｆは［1/s］で測定する。

【0099】

表１は、これらの値全てについて示す：

【表1】

一連の新しい逆ミセルを加える場合、従来の微分式のシステム（ＯＤＥシステム１）に、逆ミセルの数に対応する指数を備える同様の式を加えることが求められる。

【0100】

各逆ミセルのｐＨ値は、以下の式によるＨ⁺イオンの濃度により示される：

【数2】

式中、係数の２は、Ｈ⁺が２つのプロトンに対応するという事実から導かれ、１０^-9は、［ｎＭ］を［Ｍ］に変換し、分母の［Ｍ］は、常用対数の独立変数を無次元にする。

【0101】

ｐＨの演算において、（逆ミセルのバルク及び表面で）利用可能なイオンのみを含め、イオン輸送膜タンパク質との複合体に見出されるイオンは（移動することができないため）含めない。

【0102】

図６は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムのモデルに由来する一連の接触する逆ミセルの数に関する、定常状態で活性化したＨ⁺イオンの勾配（ΔpH）の、グラフ表示を示す。システムは、（ｔ＝０の時点での）ｐＨ７から始まり、Ｎａ⁺イオンの開始濃度は０．１ｍＭである。各ミセル中のＮｈａＡタンパク質の濃度は、０．０１ｍＭである。

【0103】

パッチクランプ実験を用いて、膜電圧、即ち、電圧差を生じさせて電流を誘導し、利用することが可能な電圧を測定することが可能である。２つの逆ミセル間での膜電圧は、ゴールドマンの式により求められる：

【数3】

【0104】

図７は、本発明のナノ構造生体模倣ニューロモルフィックシステムのモデルに由来する一連の接触する逆ミセルの数に関する、定常状態で活性化した電圧の勾配（ΔVm）の、グラフ表示を示す。このシステムは、図６に関して上で示したものと同じパラメーター（ｐＨ（ｔ＝０における時点）、各ミセル中でのＮａ⁺イオンの濃度及びＮｈａＡタンパク質の濃度）で開始する。

【0105】

ＯＤＥシステム１は、逆ミセルラインで数回繰り返される、機能ユニットを表す。変数及び式の数は、一連のミセルの数Ｎが増加すると、１０Ｎ－６増加する。新しい、従来の微分方程式システムを毎回書き記すことが不可能なのは、明らかである。

【0106】

［圧縮エマルション中での全二分子膜面積の計算］
圧縮プロセスの間に、二分子膜の形成によって、逆ミセル中の過剰の液体が乾燥するということを、推定することができる。この場合、エマルションは乾燥発泡体に似ているはずである。乾燥発泡体に関して、均衡時の最も好ましい条件はプラトーの法則に従うため、ミセルは、各平面部分で会合する３つの二分子膜と組織化し、２次元では１２０°の角度を、３次元では１０９．５°の頂点角を形成する。

【0107】

圧縮工程中に、圧縮されていない観測結果に従った体積分布から始まって、逆ミセルがほとんど合着しないと推定するのであれば、最終の圧縮ミセルはそれぞれ、異なる体積及び表面積を有することができる。これは、多分散発泡体に似ている。したがって、各逆ミセルは、異なる寸法である隣の逆ミセルと、表面領域を分かち合い、異なる量のイオン輸送膜タンパク質を収容することができる。簡略化したままにするため、各逆ミセルが、平均体積Ｖ_m及び平均表面積Ａ_mを有するものとする。逆ミセルの圧縮度合いを調節する、調節パラメーターＣを導入する。

【0108】

例えば、均質な遊離ミセルは、そのエネルギー状態を最小限にすることで球状のコンフォメーションをとり、以下の体積を有する：

【数4】

【0109】

体積がＶ_Bの箱を逆ミセルで満たすと仮定すると、空間が、それぞれの側面で他の球体と接触する球体により満たされる最小のコンフォメーションは、そのようなミセルが立方体に内接するときであるため、球体の少なくとも６箇所で、いくつかの二分子膜が形成している。これが、イオンを確実に連続輸送する最低のケースであると推定する。接点がこれよりも少ない、オーダーの小さい他の構造も実現可能である。故に、逆ミセルで占有される体積は、以下のとおりである：

【数5】

式中、Ｖｃは、立方体の体積である。

【0110】

ミセルを圧縮し、その形状を変えて立方体に適合させ、体積を一定に維持することを考えることができる。このような場合において、占有率は以下のとおりである：

【数6】

【0111】

一般的に、Ｎｍは、体積Ｖ_bを有する箱の中にある逆ミセルに等しいと推定することができる。故に、

【数7】

式中、Ｃは０．１に等しく、圧縮比率を説明する調節パラメーターである。

【0112】

充填比率Ｃを考慮すると、圧縮比率Ｃに応じて、一定数の箱に、異なる数の逆ミセルを割り当てることができる。

【数8】

【0113】

高密度圧縮における、球体により占有される最大の平均比率密度（体積の最大部分）は、Ｃ＝総体積の０．７４であることが示された。ミセルを変形させることで、充填比率Ｃは、最大１まで、より大きくなることができる。

【0114】

圧縮されると、逆ミセルの総体積は同じままであるが、形状が球体ではなくなるために、表面積は、球体の面積を計算するための通常の式とは異なると推定することができる。発泡体で観察される、最も一般的な３Ｄ形状は、１３面を有する不規則な多面体であることが示されている。単純化するために、規則的な形状のみが存在すると仮定することができる。演算モデルから、表面積の平均は、以下のとおりであることが知られている：

【数9】

式中、ｂは５．３に等しく、定数である。

【0115】

球体においては、ｂは４．８に等しい。

【0116】

圧縮工程の間で体積は一定であり、面積が変化し、過剰な面積が溶液の残りの中で再分配されることを考慮すると、関係を公式化するための等価な方法は、圧縮されていない遊離球状の逆ミセルの関数とすることである：

【数10】

式中、Ｒ_mUNは、圧縮ミセルと同じ体積の、等価な遊離ミセルの半径であり、

【数11】

ｃは、３．３に等しい定数である。

【0117】

エマルションを圧縮する前の、平均逆ミセル半径を測定することにより、Ｒ_mUNは実験によって入手することができる（本プロセス中に、合着が生じないものとする）ため、これは便利な方法である。

【0118】

前述の式（［数４］及び［数１０］）に従うと、非球状逆ミセルの面積は、以下となる：

【数12】

【0119】

球体においては、ｃは３に等しい。

【0120】

次に、圧縮工程中に、逆ミセルの一部の圧縮が生じ、本プロセスにおいて、ｃは３より大きくなる：

【数13】

式中、原則としてｃ_maxは、いくつかの球体に対しては３．３より大きくなることができる。

【0121】

次に、以下のとおりであることが分かっている：

【数14】

【0122】

π／６より小さいＣにおいては、ミセル同士が完全に接触はしておらず、依然として球体であるため、ｃは３に等しいということを推定することができる。π／６より大きいが１より小さいＣにおいては、圧縮が増大しており、ｃは３より大きいが、ｃ_maxよりも小さい。ここで、以下のような線形関係を推定することができる：

【数15】

【0123】

逆ミセル全ての総面積は、Ｎｍ×Ａｍである。逆ミセルが接触したら、即ち、Ｃがπ／６より大きくなったら、逆ミセルは二分子膜を形成し始める。Ｃがπ／６より小さければ、二分子膜は形成されず、Ｃがπ／６より大きく、１より小さければ、二分子膜の総面積は、以下のとおりとなる：

【数16】

これは、二分子膜が２つのシートを有するためであり、ｈは、二分子膜における総面積の一部である。

【0124】

ｈは、Ｃとは複雑な関係を有しているはずであるものの、ｈは、Ｃがπ／６より大きく、１より小さい範囲においては、Ｃと線形であるということを推定することができる。

【数17】

【0125】

次に、以下の式がある：

【数18】

【0126】

次に、圧縮因子Ｃの関数として、ｃ、ｈ、及びＡＢＩｍを示すプロットを実現することが可能となる。１ｍＬの箱において、最大圧縮時の、二分子膜の総面積はおよそ２ｍ²である。

【0127】

より一般的には、上記で考慮される本発明の実施様式及び実現様式は、非限定例として記載されており、それ故に、他の変形が考えられることに留意すべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【配列表】

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【国際調査報告】