生体一分子観察のためのマイクロ流体システムの開発

• Project/Area Number: 18760309
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Measurement engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 荒川 貴博 早稲田大, 理工学術院, 助手 (50409637)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,810,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2008: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2007: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2006: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: マイクロ流体システム / 生体-分子観察 / 全反射蛍光顕徴鏡 / マイクロバルブ / ガラス加工技術 / GroEL / GroES / PDMS / センシングデバイス / MEMS / 計測システム

Research Abstract

近年注目されている生体一分子観察は、従来の多分子観察の平均化行程でうもれてしまう生体一分子の個性を発見できる可能性をもっている。一分子観察の手法の1つである蛍光一分子イメージングは、従来の定常状態の観察では、背景光の制約から高濃度蛍光標識サンプルを用いた反応は観察が困難であった。そこで、本年度は全反射蛍光顕微観察(TIRFM)に適したマイクロ流体システムの構築と試薬交換の高速化を目指した。
1.リークフリーマイクロバルブ製作技術の開発
試薬漏れのないPDMSマイクロバルブの作製のため膜厚100nm程度のPDMSを用いることで、マイクロバルブの耐圧、耐久性の向上を確認した。観察領域の薄膜PDMSのタンパク質などの生体分子吸着の影響の評価し、マイクロバルブの耐圧を向上させて状態でも生体一分子観察が可能であることが確認された。
2.タンパク質一分子観察のための高速化されたPDMSマイクロバルブ
PDMSマイクロバルブの直列化によるディスペンサーデバイスを作製し、溶液交換の高速化を図った。3列のマイクロバルブを5msごとに制御し、観察領域に最速で40msで試薬の交換が可能であることが確認された。ディスペンサーにより吐出された試薬量は50pLを実現した。
また、必要な試薬を高速に注入が可能なマイクロ流体システムを用いて、大腸菌のシャペロンGroELとコシャペロンGroESの結合・解離の評価を行った。高濃度サンプルを100msオーダーの短時間導入する溶液交換マイクロ流体システムを作製し、高濃度のサンプルを用いた生体一分子相互作用のリアルタイム観察を実現した。
開発した生体一分子観察マイクロ流体システムを用いることで、これまで評価が困難であった生体の環境に近い高濃度の試薬導入が可能な生体一分子観察が初めて実現された。

Research Products

• [Journal Article] Micro Bubble Formation with Organic Membrane in a Multiphase Microfluidic System (2008)
  • Author(s): Takahiro Arakawa, Takahiro Yamamoto, Shuichi Shoji
  • Journal Title: Sensors and Actuators A: Physical 143 Pages: 58-63
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid Multi-reagents Exchange TIRFM Microfluidic System for Single Biomolecular Imaging (2007)
  • Author(s): Takahiro Arakawa, Tomoya Sameshima, Yukiko Sato, Taro Ueno, Yoshitaka Shirasaki, Takashi Funatsu, Shuichi Shoji
  • Journal Title: Sensors and Actuators B: Chemical 128 Pages: 218-225
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High aspect ration nano-scale CFx structures fabricated by DEEP-RIE (2007)
  • Author(s): T.Arakawa, H.Kusakawa, S.Shoji
  • Journal Title: 20th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems : MEMS 2007 Pages: 287-290
• [Journal Article] Continuous and regulated organic micro bubble generation using lumped gas and organic injected junction (2007)
  • Author(s): T.Yamamoto, T.Arakawa, S.Shoji
  • Journal Title: 20th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems : MEMS 2007 Pages: 553-556
• [Presentation] Soft cell rupture device using nano needle allay for damage-free extraction of organelles (2008)
  • Author(s): D. Yamazaki, T. Arakawa, Y. Shirasaki, T. Funatsu, S. Shoji
  • Organizer: International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, symposium B nanobiotechnology
  • Place of Presentation: Victoria, Australia
• [Presentation] High generation rate of uniform oil-in-water droplets formed by multi-stage divergence microflow device (2007)
  • Author(s): Y. Murakami, T. Arakawa, E. H. Jeong, J. S. Go, S. Shoji
  • Organizer: The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Transducers'07
  • Place of Presentation: Lyon, France
• [Presentation] High through-put parallel biomolecules sorting microsystem with three dimensional PDMS stack (2007)
  • Author(s): Y. Nara, H. Sugino, T. Arakawa, Y. Shirasaki, T. Funatsu, S. Shoji
  • Organizer: The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Transducers'07
  • Place of Presentation: Lyon, France
• [Presentation] Parallel bioparticle sorting with TGP solution in 3-dimentinal microflow system (2007)
  • Author(s): H. Sugino, Y. Nara, Y. Shirasaki, T. Arakawa, S. Shoji, T. Funatsu
  • Organizer: Eleventh International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences μTAS2008
  • Place of Presentation: Paris, FRANCE
• [Presentation] High speed organelles sorting microsystem driven by a single pressure source (2007)
  • Author(s): T. Aoki, Y. Shirasaki, T. Arakawa, H. Sugino, T. Funatsu, S. Shoji
  • Organizer: Eleventh International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences μTAS2008
  • Place of Presentation: Paris, FRANCE
• [Patent(Industrial Property Rights)] フルオロカーボン微小構造体の製造方法、およびマイクロシステム (2007)
  • Inventor(s): 荒川貴博, 草川寛之, 庄子習一
  • Industrial Property Rights Holder: 早稲田大学
  • Filing Date: 2007-01-19
• [Patent(Industrial Property Rights)] マイクロカプセル製造装置及びマイクロカプセル製造方法 (2006)
  • Inventor(s): 庄子習一, 荒川貴博, 山本嵩宏
  • Industrial Property Rights Holder: 早稲田大学
  • Filing Date: 2006-09-20