細胞間接着を用いた細胞の一分子制御に関する研究

• Project/Area Number: 16J08616
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 庄司 観 東京農工大学, 大学院工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: ナノポアセンシング / ナノポアプローブ / ナノニードル / マイクロ流体 / イオンコンダクタンスプローブ / 分子ロボット / 微小流体制御技術 / マイクロ流体制御技術 / 人工脂質二分子膜 / ナノポア

Outline of Annual Research Achievements

本申請研究では、脂質二分子膜に再構築した膜タンパク質を用いて細胞を一分子レベルで刺激・センシング可能なデバイスの開発を最終的な目標としている。本コンセプトを実現するためには、膜タンパクを再構築した脂質二分子膜を細胞近傍にアライメント可能なプローブ型の生体ナノポアデバイスの開発が必要である。そこで本年度は、金ナノニードルを用いたナノポアプローブの開発及びマイクロ流路デバイスと組み合わせた高空間分解能ナノポアセンシングに関して研究を実施した。
従来、ガラスピペットを用いたナノポアプローブが開発されていたが、脂質二分子膜の安定性が低く長時間センシングすることが困難であった。そこで本研究では、金ナノニードルの表面に修飾したポリマーによって脂質二分子膜を支持することで膜安定性を向上させたナノポアプローブを開発した。まず、ナノポアプローブを用いてポア形成膜タンパク質の再構築実験を行った結果、ナノポアプローブを用いたチャネル電流測定に成功した。次に、ナノポアプローブを用いた化学物質の検出実験を行った。その結果、化学物質のナノポアの通過を電流阻害として検出することに成功し、その阻害頻度には化学物質の濃度依存性が確認された。最後に、H型マイクロ流路を用いて化学物質の濃度勾配を形成しマイクロ流路内の化学物質の濃度測定を行った。その結果、シミュレーション結果と同様にリニアな濃度勾配が形成されていることを確認することができ、ナノニードル型ナノポアプローブを用いた高空間分解能ナノポアセンシングの可能性を示すことができた。
以上のように、本年度は膜タンパク質を用いた細胞と機械のインターフェイスの構築に向けナノニードル型生体ナノポアプローブを開発し、マイクロ流路と組み合わせることにより高空間分解能で化学物質の検出が可能なナノポアプラットフォームの構築に成功した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Cincinnati(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Cincinnati(米国)
• [Journal Article] Spatially Resolved Chemical Detection with a Nanoneedle-Probe-Supported Biological Nanopore (2019)
  • Author(s): Shoji Kan、Kawano Ryuji、White Ryan J.
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 13 Pages: 2606-2614
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b09667
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microfluidic Formation of Double-Stacked Planar Bilayer Lipid Membranes by Controlling the Water-Oil Interface (2018)
  • Author(s): Shoji Kan、Kawano Ryuji
  • Journal Title: Micromachines Volume: 9 Issue: 5 Pages: 253-253
  • DOI: 10.3390/mi9050253
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of protein-responsive micro-sized hydrogels for self-regulating microfluidic systems (2018)
  • Author(s): Hirayama Mayu、Tsuruta Kazuhiro、Kawamura Akifumi、Ohara Masayuki、Shoji Kan、Kawano Ryuji、Miyata Takashi
  • Journal Title: J. Micromech. Microeng. Volume: 28 Issue: 3 Pages: 034002-034002
  • DOI: 10.1088/1361-6439/aaa876
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] マイクロ流体技術を用いた人工細胞膜の構築とその応用 (2017)
  • Author(s): 庄司観，關谷悠介，平谷萌恵，川野竜司
  • Journal Title: 膜学会誌 Volume: 42 Pages: 72-77
  • NAID: 130007331409
• [Presentation] Direct Chemical Detection in aMicrochannel with a Nanoneedle-based Biological Nanopore Probe (2019)
  • Author(s): Shoji Kan, Kawano Ryuji, White Ryan J.
  • Organizer: The 32th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノニードル型ナノポアプローブを用いた局所ナノポアセンシング (2019)
  • Author(s): 庄司観，White Ryan J.，川野竜司
  • Organizer: 第二回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] Chemical sensing using a nanoneedle-based nanopore probe (2018)
  • Author(s): Shoji Kan, Kawano Ryuji, White Ryan J.
  • Organizer: 256th ACS national meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ流路を用いたミクロ液滴間の膜接着とパターン形成機構の解明 (2018)
  • Author(s): 藤原祥吾，庄司観，川野竜司，柳澤実穂
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] 分子ロボット検出可能なナノポアの作製と特性比較 (2018)
  • Author(s): 高井なつみ，松下雅季，渡辺寛和，庄司観，牧禎，川野竜司
  • Organizer: 第1回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] Simulation study on double-stacking lipid bilayer formation by microchannels (2017)
  • Author(s): Kan Shoji, Ryuji Kawano
  • Organizer: Pittcon2017
  • Place of Presentation: McCormick place (Chicago, USA)
  • Year and Date: 2017-03-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノポア特性比較とセンシングへの応用 (2017)
  • Author(s): 高井なつみ，松下雅季，渡辺寛和，庄司観，牧禎，川野竜司
  • Organizer: 第4回サイボウニクス研究会
• [Presentation] Lipobot: Negative Chemotaxis by Osmotic Pressure (2017)
  • Author(s): Kan Shoji, Ryuji Kawano
  • Organizer: The 21th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bio-integrated Robotics; From Individual to Cellular Level (2017)
  • Author(s): Kan Shoji
  • Organizer: 2nd Japan-Korea Symposium on Cyborgnics: Integration between cell and electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Negative Chemotaxis Molecular Robots Migrated by Osmotic Pressure Difference (2017)
  • Author(s): 庄司観，川野竜司
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 一分子検出のための生体ナノポアと固体ナノポアの特性比較 (2017)
  • Author(s): 高井なつみ，松下雅季，庄司観，牧禎，川野竜司
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Hexagonal packing of cell-sized lipid droplets using microfluidic device (2017)
  • Author(s): 藤原祥吾，庄司観，川野竜司，柳澤実穂
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 液滴集合体を用いた細胞組織モデルの構築 (2017)
  • Author(s): 藤原祥吾，庄司観，川野竜司，柳澤実穂
  • Organizer: 新学術領域3D形態形成班会議
• [Presentation] 浸透圧型マイクロロボットの開発 (2017)
  • Author(s): 庄司観，川野竜司
  • Organizer: Cheminas35
• [Presentation] マイクロ流路デバイスを用いた液滴集合体の形成とパターン制御 (2017)
  • Author(s): 藤原祥吾，庄司観，川野竜司，柳澤実穂
  • Organizer: Cheminas35
• [Presentation] タンパク質検出に向けた生体ナノポアと Solid-stateナノポアの比較検討 (2017)
  • Author(s): 高井なつみ，松下雅季，庄司観，川野竜司
  • Organizer: Cheminas35
• [Presentation] Microfluidic Formation of Lipid Bilayer-stacking (2016)
  • Author(s): 庄司観，川野竜司
  • Organizer: CBI学会2016年大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京都江戸川区）
  • Year and Date: 2016-10-25
• [Presentation] Double-stacking Lipid Bilayer Formation Using Five-layered Microchannels (2016)
  • Author(s): Kan Shoji, Ryuji Kawano
  • Organizer: The 20th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS2016)
  • Place of Presentation: The Convention Centre Dublin (Dublin, Ireland)
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ空間内における平面脂質二分子膜の積層 (2016)
  • Author(s): 庄司観，川野竜司
  • Organizer: 第34回化学とマイクロ・ナノシステム研究会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] ハイブリッド型分子ロボットを考える (2016)
  • Author(s): 庄司観
  • Organizer: 分子ロボティクス研究会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県長崎市）
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Invited
• [Remarks] 高空間分解能で化学物質を検出する超微細針「ナノニードル型ナノポアプローブ」を開発
  • URL: http://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2018/20190222_01.html