Advanced microbiobes sepalation and cluturing techniques for post-Koch ecology analysis

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 19H05680
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 佐々 文洋 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (30722681)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥93,730,000 (Direct Cost: ¥72,100,000、Indirect Cost: ¥21,630,000); Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2019: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: 微生物 / マイクロフルイディックデバイス / BioMEMS / マイクロロボット / ポストコッホ / 組み合わせ培養 / ソフトロボット / 組み合わせ培養・分離 / MEMS / 組み合わせ分離・培養

Outline of Research at the Start

現在の微生物学研究で用いられている培養機器は100 年以上前に開発されたものであり、改良の余 地を多く残している。特に未発見の種を含む膨大な微生物種とその生理的機能の多様性の全貌を解明するため には、従来とは桁違いの数のサンプルを処理可能な微生物分離・培養・解析システムの構築が必要で ある。本研究ではマイクロマシンニング技術を用いて、１プレートで 10 万－100 万単位の単離 培養・分析・保存を可能とする次世代の微生物学研究用ツールを構築する。これにより、従来法では 分離できなかった微生物（微生物ダークマター）のスクリーニングおよび、数種類の微生物の相互作用に基づく複合微生物系の一括分析を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では微生物を培養・機能解析する分析サイズを手作業の限界ではなく、培養デバイスの物理 化学的限界および微生物の生育の限界を基準に設計することで、1 回の実 操作で１デバイスあたり 10万から 100万 位の独立した同時培養および 菌または 菌体レベルの 相互作用の分析を可能とするアレイ型の新規培養デバイスを構築する。これら「独立した極微小環境中での培養・分析」およびそのアレイ化技術の開発を通し、サイズに依存しない純粋な生育応答と微生物間相互作用情報を取得し、分離されたそれぞれの微生物に独立した培養環境を与えることで生育速度による競合を取り除くとともに、微生物の分離・培養・分析をハイスループット化、また個々の微生物集 間の相互作用を一括して解析するためのポストコッホ型の微生物培養 分析のプラットホームを構築する。
R4年度には、これまでの計画年度に開発した、様々な培養器シリーズの改良及び、計画班の他のグループのとの共同研究による特殊な実験系に特化した派生デバイスの開発を継続し、また複数のグループと実環境サンプルでのデバイス評価を行った。また、昨年度より開始した仏University of Pau and Pays de l'Adourの Prof.Robert DuranとA02-1 野尻教授のグループとの国際共同研究を推し進めた。国際郵便でのサンプルやデバイスの輸送オンライン実験・オンラインディスカッションに加え、渡仏しての現地での海洋環境サンプリングや共同実験の実施を行った。その結果、まだ開始1年程でありながら得られた成果の投稿論文採択にまで至った。さらに、微生物培養アレイ操作を目的としたマイクロロボットの基礎技術の開発、特にバイオセンサ集積化及び、精密なロボットプローブ制御のための物理センサ集積化技術を開発した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

領域グループ内での共同研究の進展に加え、昨年度開始したばかりの仏仏University of Pau and Pays de l'Adour国際共同研究にて論文アクセプトなどの成果発表を行うほど研究が進展した。環境生物学、情報学、機械工学という異分野での共同研究を主体とする本領域の研究にとってCovid-19による活動制限は非常に大きな制約であったが、これが昨年度より徐々に緩和されたこと、また、オンラインでの共同研究を含めた各グループがこれまで積み上げてきた結果と工夫がこのような成果につながったと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今後、これまで通り、様々な培養環境・実験条件に合わせたマイクロ培養アレイデバイスの開発を行うと共に、マイクロロボット技術や微小化学センシング技術、物理センシング技術との融合により、より高度な分析実験システムの構築を行う。また、最終年度にむけて集大成的な成果のまとめを行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Pau and Pays de l'Adour(フランス)
• [Int'l Joint Research] Southwest University(中国)
• [Int'l Joint Research] University of California San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] Southwest University(中国)
• [Int'l Joint Research] Shahjalal University(バングラデシュ)
• [Journal Article] Development of a microfluidic-based taste sensor using lipid polymer membrane (2023)
  • Author(s): Tahara Yusuke、Sassa Fumihiro、Takigawa Ryo、Kurihara Yuma
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SG Pages: SG1014-SG1014
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb4fa
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-cost gel-filled microwell array device for screening marine microbial consortium (2022)
  • Author(s): Clelia Duran, Shiyi Zhang, Chongyang Yang, Maria Lorena Falco, Cristiana Cravo-Laureau, Chiho Suzuki-Minakuchi, Hideaki Nojiri, Robert Duran, Fumihiro Sassa
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 13 Pages: 01-09
  • DOI: 10.3389/fmicb.2022.1031439
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A fully inkjet-printed disposable gas sensor matrix with molecularly imprinted gas-selective materials (2022)
  • Author(s): Ge Lingpu、Ye Xiao、Yu Zeping、Chen Bin、Liu Chuanjun、Guo Hao、Zhang Shiyi、Sassa Fumihiro、Hayashi Kenshi
  • Journal Title: npj Flexible Electronics Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41528-022-00168-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemiresistor sensor matrix prepared by full-printing processes (2021)
  • Author(s): Ge Lingpu、Ye Xiao、Chen Bin、Liu Chuanjun、Guo Hao、Sassa Fumihiro、Hayashi Kenshi
  • Journal Title: Flexible and Printed Electronics Volume: 6 Issue: 1 Pages: 015013-015013
  • DOI: 10.1088/2058-8585/abec19
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microfabricated electrochemical sensing devices (2020)
  • Author(s): F. Sassa, G. C. Biswas, and H. Suzuki
  • Journal Title: Lab Chip Volume: 20 Issue: 8 Pages: 1358-1389
  • DOI: 10.1039/c9lc01112a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of Biosensing Film Robot Based on Kinetic Electronics (2022)
  • Author(s): Shiyi Zhang , Kenshi Hayashi , Joseph Wang , Fumihiro Sassa
  • Organizer: Advances in Functional Materials2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Odor Source Detection with High Speed Multi Gas Sensing Robot System using AuNPs-Fluorescent Molecular coupling Opt-Chemical LSPR Sensor (2020)
  • Author(s): Y Kusuda, Z Yang, K. Semas, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-high Sensitive SERS Gas Sensor to detect Geosmin (2020)
  • Author(s): Lin Chen, Noriko Shiramatsu, Bin Chen, Fumihiro Sassa, Shoichi Sameshima, Tatsuya Seki, Kenshi Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2D LSPR gas sensor with Au/Ag core-shell structure coated by fluorescent dyes (2020)
  • Author(s): K Semasa, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Invisible Odor Trace Tracking with LSPR based High Speed Gas Sensor Robot System (2019)
  • Author(s): Y Kusuda, Z Yang, T Soeda, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inkjet-printed Gas Sensor Matrix with Molecularly Imprinted Gas Selective Materials (2019)
  • Author(s): L Ge, B Chen, H Kawano, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-layer Filter Structure for Molecular Selective SERS Gas Sensor (2019)
  • Author(s): L Chen, B Chen, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2D LSPR multi gas sensor array with 4-segmented subpixel using Au/Ag core shell structure (2019)
  • Author(s): T Soeda, Z Yang, F Sassa, Y Tomiura, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ポストコッホ生態
  • URL: https://postkoch.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 操作装置及び操作方法 (2020)
  • Inventor(s): 佐々文洋, 武居 修, 茂木一
  • Industrial Property Rights Holder: 佐々文洋, 武居 修, 茂木一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-102019
  • Filing Date: 2020