クリノスタット

クリノスタット

その他の名前	クリノスタット、水平クリノスタット、単軸クリノスタット
用途	生物に対する重力の影響を軽減し、主に植物に使用される。
発明家	ユリウス・フォン・ザックス
関連商品	ランダムポジショニングマシン

クリノスタットは、回転を利用して、重力が植物の成長 (重力屈性) と発育 (重力形態性) に与える影響を打ち消す装置です。また、細胞培養、動物の胚、クモの巣に対する微小重力の影響を研究するためにも使用されています。

単軸（または水平）クリノスタットは、モーターに取り付けられたディスクで構成されています。これらはもともと時計仕掛けでしたが、現在では電気モーターが使用されています。ディスクは垂直に保持され、モーターはそれを毎分 1 回転程度の速度でゆっくりと回転させます。植物は、水平になるようにディスクに取り付けられます。ゆっくりと回転するということは、植物が 360 度にわたって平均化された重力の引力を受けることを意味し、これにより無重力環境に近づきます。クリノスタットは、重力以外の太陽光やその他の刺激の影響を打ち消すためにも使用されています。このタイプのクリノスタットは、無重力をシミュレートするために正確に水平でなければなりません。クリノスタットが水平から角度をなしている場合、正味の重力ベクトルが認識され、その大きさは角度によって異なります。これを使用して、水平から約 10 度の角度、つまり sin ⁻¹ (1/6) を 必要とする月の重力（約 1/6 g）をシミュレートできます。

植物は、重力刺激が最小提示時間 (MPT) と呼ばれる臨界時間よりも長く維持された場合にのみ重力に反応します。多くの植物器官では、MPT は 10 秒から 200 秒の間であるため、重力屈性反応を避けるためには、クリノスタットを同等の時間スケールで回転させる必要があります。ただし、提示時間は累積的であり、クリノスタットの回転が単一の位置で繰り返し停止すると、たとえ 0.5 秒という短い時間であっても、重力屈性反応が発生する可能性があります。^[1]動物の提示時間はこれよりも 1 桁または 2 桁速いため、ほとんどの動物研究で低速回転クリノスタットを使用することはできません。ただし、高速回転クリノスタットは動物細胞培養および胚の研究に使用できます。

• 通常のタイプのクリノスタットは、遠心力の影響を避けるためにゆっくりと回転し、これは「低速回転クリノスタット」と呼ばれます。最適な回転速度については議論がありました。回転速度が遅すぎると、植物は重力に対する生理学的反応を開始する時間があります。一方、回転速度が速すぎると、遠心力と機械的ひずみによってアーティファクトが発生します。最適な回転速度は、宇宙で育った植物に見られる微小重力に対する「真の」反応と比較して調査され、^[2]ほとんどの植物システムで 0.3 ～ 3 rpm であることが決定されました。
• 高速回転クリノスタット (通常 30 ～ 150 rpm で回転) は、通常液体培地中の小さなサンプル (直径数 mm のバイアル内の細胞培養物) にのみ使用できます。これらの条件下では、大きなサンプルでの使用を妨げる過度の遠心効果が回避されます。
• 単軸クリノスタットは、回転軸に沿ってのみ無重力効果を生み出します。3D または 2 軸クリノスタット (一般にランダム ポジショニング マシンまたは RPM と呼ばれます) は、すべての方向の重力を平均化できます。これらのマシンは、通常、1 つのフレームがもう 1 つのフレームの内側に配置され、それぞれが独立して回転する 2 つのフレームで構成されています。
• 微小重力をシミュレートするためのクリノスタットの代替手段は、自由落下装置(FFM) です。小さなサンプル (細胞懸濁液など) を重力下で約 1 メートル自由落下させます。自由落下の期間は 1 秒弱です。次に、短時間大きな力 (約 20 g、20 ms - 「バウンス」) を加えて装置の上部に押し戻し、再び落下させます。この装置では、ほとんどの時間を無重力自由落下で過ごすことが原則です。高重力下で過ごす時間は、生物学的サンプルの生理学的メカニズムでは検出できないほど短いと想定され、結果として自由落下で過ごした時間しか認識しません。

微小重力をシミュレートするためにクリノスタットを使用する場合、いくつかの問題が指摘されています。

• 重力の影響は依然として発生するが、その効果には正味の方向性がない。したがって、微小重力をシミュレートするのではなく、全方向の重力刺激を誘発すると考えるのが最善である^[3]
• 大きな植物の葉は回転しながら揺れ動き、エチレン生成の増加を引き起こし、それが無重力屈性に起因すると考えられるいくつかの現象を引き起こす可能性がある。^[4]他の研究者はこの解釈に疑問を呈しており^[5]、エチレンが重力屈性反応に役割を果たしている可能性が示唆されている^[6]。
• モーターからの振動やその他の動作の影響により、アーティファクトが発生する可能性があります。

クリノスタットは1879年にユリウス・フォン・ザックス^[7]によって発明され、ゼンマイ動力の機械を製作した。しかし、同様の概念は1703年にデニス・ドダートによってすでに開発されていた。最初の電動クリノスタット（1897年）はニューカムによって作られた。^[8]

• 重力屈性
• 大口径遠心分離機
• ランダムポジショニングマシン
• フリーフォールマシン

• Barjaktarović, Z.; Nordheim, A; Lamkemeyer, T; Fladerer, C; Madlung, J; Hampp, R; et al. (2007)、「Arabidopsis 細胞培養物のハイパー g、2-D クリノローテーション、および 3-D ランダム配置への曝露による特定タンパク質量の時間経過変化」、J Exp Bot.、vol. 58、no. 15–16、pp. 4357–63、doi :10.1093/jxb/erm302、PMID  18182437

• クリノスタットページ: 地球上の宇宙生物学研究に特化したウェブサイト クリノページ
• 重力実験ウェブサイト Clinostats

特許

細胞培養（クラス435/297.400）

• 米国特許 5,104,802、Rhodes, Percy H. (アラバマ州ハンツビル)、Miller, Teresa Y. (アラバマ州フォークビル)、Snyder, Robert S. (アラバマ州ハンツビル)、「細胞培養における微小重力をシミュレートするための中空繊維クリノスタット」