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ナノポア計測とDNAコンピューティング技術による超低濃度microRNAの検出

Research Project

Project/Area Number 22KJ1231
Project/Area Number (Other) 21J22731 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section国内
Review Section Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
Research InstitutionTokyo University of Agriculture and Technology

Principal Investigator

竹内 七海  東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywordsナノポア / DNAコンピューティング / マイクロRNA / リキッドバイオプシー / microRNA / マイクロデバイス / ナノポア計測 / がん診断 / 一分子計測
Outline of Research at the Start

機能性RNAの一種であるmicroRNAはがんの種類特異的に発現異常を示すため、その発現パターンをバイオマーカーとして利用することが注目されている。本研究では、標的分子を一分子レベルで検出可能なナノポアセンシングに、DNA分子を用いた演算手法であるDNAコンピューティング技術を組み合わせることにより、体液中の低濃度なmicroRNA発現パターンを高感度に検出する。

Outline of Annual Research Achievements

機能性RNAの一種であるmicroRNA (miRNA)はがんの種類特異的に発現異常を示すため、その発現パターンをバイオマーカーとして利用することが注目されている。本研究では、ナノポア計測による低濃度核酸バイオマーカーの検出を高感度化するこれまでにない手法を提案した。従来のナノポア計測では難しかったfMレベル(10^(-15) Mレベル)の低濃度核酸分子の検出を達成し、その背後にある検出メカニズムの一部を明らかにした。
本研究では、標的分子を一分子レベルで検出可能なナノポアセンシングに、DNA分子を用いた演算手法であるDNAコンピューティング技術を組み合わせることにより、体液中の低濃度なmiRNA発現パターンを高感度に検出した。標的核酸分子に対する相補配列を持つDNAプローブを標的核酸分子に対して高濃度で使用することで標的DNAの効率的なナノポアへの捕捉を実現した。さらに、電気化学測定による核酸分子のバルク拡散の評価、熱力学的シミュレーションと蛍光強度測定による核酸の構造安定性の評価により、高濃度のDNAプローブによって標的DNAが高感度に検出される計測条件を明らかにした。加えて理論的なアプローチにより標的分子がナノポアに捕捉される際のエネルギー障壁が実験結果に依存して変化することを発見し、本現象への理解を深めた。
本手法は核酸分子マーカ―のモニタリングによる疾病検査の開発に寄与することが期待される。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Book (2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Nanopore Filter: A Method for Counting and Extracting Single DNA Molecules Using a Biological Nanopore2023

    • Author(s)
      Asuka Tada+, Nanami Takeuchi+, Kan Shoji, Ryuji Kawano (+equal contribution)
    • Journal Title

      Analytical chemistry

      Volume: 96 Issue: 26 Pages: 9805-9812

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.3c00573

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Real-time monitoring of the amyloid β1-42 monomer-to-oligomer channel transition using a lipid bilayer system2023

    • Author(s)
      Numaguchi Yuri、Tsukakoshi Kaori、Takeuchi Nanami、Suzuki Yuki、Ikebukuro Kazunori、Kawano Ryuji
    • Journal Title

      PNAS Nexus

      Volume: 3 Issue: 1

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgad437

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Pattern Recognition of microRNA Expression in Body Fluids Using Nanopore Decoding at Subfemtomolar Concentrations2022

    • Author(s)
      Takeuchi Nanami、Hiratani Moe、Kawano Ryuji
    • Journal Title

      JACS Au

      Volume: 2 Issue: 8 Pages: 1829-1838

    • DOI

      10.1021/jacsau.2c00117

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Nucleic acid detection at femtomolar levels: Exploring probe-based nanopore technique2023

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      Korea-Japan joint workshop of bottom-up synthetic biology
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of excess DNA probes on DNA detection at femtomolar levels using a biological nanopore2023

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      DNA 29
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanopore sensing for nucleic acid detection at femtomolar levels without amplification2023

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      MicroTAS 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanopore detection of unamplified nucleic acids at femtomolar levels using a probe-based technique2023

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      Black Forest Nanpore Meeting 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ULTRA-LOW CONCENTRATION DETECTION OF DNA WITHOUT ITS AMPLIFICATION USING A BIOLOGICAL NANOPORE2023

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      BPS2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MOLECULAR BASIS OF FEMTOMOLAR-NANOPORE-DETECTION OF DNAS WITH THE EXCESS COMPLEMENTARY PROBES2022

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      MicroTAS2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノポアと高濃度相補鎖プローブを用いたDNA 検出の分子機序解明2022

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      学術変革・GIRセミナー
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 過剰量の相補鎖プローブを用いたナノポアセンシングによる高感度DNA検出2022

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      超越分子システム第二回領域会議若手の会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Nanopore sensing of femtomolar DNAs using the excess complementary probes2022

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      第60回生物物理学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 高濃度相補鎖プローブを用いたナノポア計測によるfMオーダー核酸分子の検出2022

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第46回研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] DNA分子の自律的な二本鎖形成とナノポア計測を利用した血漿由来microRNAの高感度検出2022

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      第6回Liquid Biopsy研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] FEMTOMOLAR MICRORNA DETECTION BY DIAGNOSTIC DNA SYSTEM AND BIOLOGICAL NANOPORE2021

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi
    • Organizer
      The 25th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS 2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] DNAコンピューティング技術とナノポア計測によるmicroRNAの高感度パターン認識2021

    • Author(s)
      竹内七海
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第43回研究会(CHEMINAS 43)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Book] Molecular Robotics: An Introduction2022

    • Author(s)
      Nanami Takeuchi, Ping Liu, Sotaro Takiguchi, and Ryuji Kawano
    • Total Pages
      296
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      9789811939877
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 疾患バイオマーカーとしてのマイクロRNAと診断応用2022

    • Author(s)
      竹内七海、劉娉、滝口創太郎、林貢平、川野竜司
    • Total Pages
      276
    • Publisher
      シーエムシ―出版
    • ISBN
      9784781316673
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] アルツハイマー病の原因物質アミロイドβが脂質膜中で毒性を示す過程のリアルタイム観察に成功!

    • URL

      https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2023/20240109_01.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] DNA数えるならナノポア!~DNAを1分子レベルでカウント・抽出することに成功~

    • URL

      https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2023/20230705_02.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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