| Project/Area Number |
23K17737
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
寺尾 京平 香川大学, 創造工学部, 准教授 (80467448)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 生体分子加工 / マイクロ・ナノデバイス / バイオナノテクノロジー / 微細加工 |
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| Outline of Research at the Start |
大部分のバイオプロセスはいわゆる試験管実験と呼ばれる、化学反応による偶然に依存しており、細胞と染色体を個々に望み通りに扱えるような技術は存在していない。それに対して本研究は、ナノ構造体を、生体分子を加工するナイフとピンセットの役割を果たす分子手術ツールとして使い、これまで非特異に生じていた化学反応を空間的に限定された領域で生じさせ染色体を解剖する、新たな分子操作の方法論を確立する。つまり、実生活空間で実現されている手術操作を、生体分子のナノ領域にまで拡張することを目指すものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、バルクでしか扱うことの困難な染色体を１分子レベルで解析するための分子解剖プラットフォームを実現する。狙った１細胞から染色体を分離し、標的部位を回収・解析する技術を実現することで、これまで生化学的手法に頼っていたゲノム解析に、機械工学的なアプローチによって１細胞かつ１分子解像度のイノベーションをもたらすことを目指す。従来のゲノム解析では、バルク溶液中で細胞集団から抽出した染色体群を回収し、断片化し、解析を行う。このとき、染色体の形状などの空間情報が失われるとともに、無数の細胞集団から得られた平均化された情報しか得られず、個々の細胞毎の差異が消失するという根本的課題がある。染色体の複雑な立体構造やエピゲノム修飾は、細胞毎に異なっており、それが、１細胞毎の機能と密接に関わることから、多種の細胞群からなる協調的な臓器機能や、がん・個体の発生過程において重要な役割を果たすことが知られている。しかし、特定の１細胞から染色体を構成するDNA分子までシームレスに処理して解析することは極めて困難であり、未だ実現されていない。そこで、本研究は、光で駆動されるナノ構造体を染色体加工の「工具」、マイクロ流体デバイスを「加工台」として用いることで、超微細領域でのピンポイント加工を実現し「ゲノム分子解剖」プラットフォームを創出することに取り組んだ。本年度は工具となるナノ構造体の作製に関して、金属膜形成・表面修飾のそれぞれの方法による機能化に取り組み培養細胞を用いて機能を試験した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は、バルクでしか扱うことの困難な染色体を１分子レベルで解析するための分子解剖プラットフォームを実現する。本研究は、光で駆動されるナノ構造体を染色体加工の「工具」、マイクロ流体デバイスを「加工台」として用いることで、超微細領域でのピンポイント加工を実現し「ゲノム分子解剖」プラットフォームを創出することを目指している。本年度は工具となるナノ構造体の作製に関して、金属膜形成・表面修飾のそれぞれの方法による機能化に主に取り組んだ。金属膜形成については、ナノ構造体の一部に金属膜を形成し、光で操作しながら電気的に細胞を破壊加工する前段階まで到達したが、細胞に対しての評価実験は未だ簡易な検討実験に留まっている。また、表面修飾により細胞内にナノ構造体を取り込ませる実験については、細胞を用いた実験を開始し、細胞への取り込み過程を可視化することに成功したが、染色体へのアプローチまでは確認できていない。こちらについては、引き続き培養細胞を主に使用して、染色体加工の実施に向けた評価実験を進める計画である。マイクロ流体デバイスについては、本年度はフォトリソグラフィーや３Dプリンタによる造形を試験し、主に加工法の評価に取り組んだ。来年度主に実デバイス開発に取り組む計画である。
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| Strategy for Future Research Activity |
様々な３次元微細加工技術が実用化されているが、複雑な３次元ナノ構造を一括大量作製する技術は未だ実用化されていない。それに対し、本研究では、光の回折や近接場を利用した紫外線リソグラフィにより３次元ナノ構造を数百万個の単位で一括大量作製し、構造表面に酵素や抗体を固定することで機能化されたナノ構造体を開発する。ナノ構造体の表面の機能化についてこれまで、金属による機能化や化学修飾を新たに実施しており、今後、細胞を使用した評価実験を進める計画である。
工具の開発に加えて、標的細胞の位置決めと細胞周囲の微小溶液環境の置換を可能にするマイクロ流体デバイスを、分子解剖の加工台として一体的に開発する。本プラットフォームを、光学顕微鏡と統合することで、リアルタイムイメージングと光操作が可能になる。したがって、オペレーターが顕微鏡像を見ながらその場でリアルタイムで分子解剖を実施できる。本ナノ工具を使い、加工台となるマイクロ流体デバイス内で標的の１細胞から染色体を抽出し、標的部位を切断回収する手法を確立することで、どの細胞の、どの染色体の、どの位置が、どのような塩基配列・化学修飾・構造を持つか１細胞１分子解像度で明らかにする。
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