2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16J08616
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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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)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノポアセンシング / 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 |
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| 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イバイ巣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本年度は「リポソームを用いた分子ロボットの新たな駆動原理の構築」「プローブ型ナノポアデバイスの開発」の二つの課題に取り組んだ。以下に詳細を述べる。
リポソームを用いた分子ロボットの新たな駆動原理の構築では、脂質二分子膜に再構築した膜タンパク質を任意の場所に配置するため、リポソームをベースとしたマイクロロボットである分子ロボットに着目した。本研究では分子ロボットの新たな駆動方法として、脂質二分子膜の半透膜性による浸透圧差を利用した浸透圧エンジンモデルを応用し、分子ロボットの駆動を試みた。その結果、ロボット周囲のイオン濃度差によってマイクロ流路内をリポソーム型分子ロボットが駆動していることを確認した。
プローブ型ナノポアデバイスの開発では、電気化学エッチングで作製した金ナノニードルの表面に脂質二分子膜を形成し、膜タンパク質を再構築することで任意の場所に膜タンパク質を配置可能なインターフェイスの開発を目指した。その結果、金ナノニードル表面に再構築した膜タンパク質を用いて生体分子を検出することに成功し、生物と機械のインターフェイスとして応用できる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、特に膜タンパク質デバイスのマニピュレーション方法に関して検討した。今後は、本膜タンパク質デバイスを用いて細胞活性のモニタリングを行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
膜タンパク質を用いた細胞の一分子モニタリングを達成するために本年度は、膜タンパク質デバイスの細胞へのアライメント方法に関して検討を行った。まず、リポソームを用いたアライメント方法を考案し、リポソームを動かし細胞の近傍へ配置するために、リポソームの駆動法に関して検討した。本研究では、脂質二分子膜の半透膜性に着目し、イオン濃度差によって発生する浸透圧流を用いた浸透圧エンジンモデルを応用しリポソームの駆動を試みた。リポソームをマイクロ流路内に捕捉し、リポソームの前後に異なる塩濃度の溶液を流し、イオン濃度差を与えた。その結果、リポソームが低イオン濃度側に駆動していることが確認することができ、膜タンパク質デバイスのアライメント方法として応用できる可能性を示すことができた。次に、脂質二分子膜を表面に形成したナノニードルを用いた膜タンパク質デバイスのマニピュレーション方法を考案した。膜タンパク質を再構築したプローブを開発することで、膜タンパク質デバイスを任意の場所に配置することが可能である。電気化学エッチングで作製した金ナノニードル表面にポリエチレングリコールを修飾し金表面を親水化した。本ナノニードルを水溶液と脂質溶液が層になった浴溶液に下ろし、脂質二分子膜を形成した。形成した脂質二分子膜にポア形成膜タンパク質を再構築し、膜タンパク質を通過する化学物質をイオン電流の変化によって計測することに成功した。
以上のように本年度は、膜タンパク質デバイスを用いて細胞活性をモニタリングするために、膜タンパク質デバイスのマニピュレーション方法に関して検討し、プローブ型の膜タンパク質デバイスを作製することで任意の場所をモニタリング可能なデバイスを構築できる可能性を示唆することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に開発したプローブ型膜タンパク質デバイスを用いて細胞活性の一分子モニタリングを試みる。本膜タンパク質プローブを用いて細胞活性をモニタリングするためには、「プローブのz方向の移動範囲が狭い」「長時間測定することでイオン電流が減衰する」という二つの課題を解決する必要がある。
プローブのz方向の移動範囲に関しては、マイクロ流路と組み合わせたデバイスを構築することで、プローブの駆動範囲を制限する。本プローブを浴溶液の脂質溶液と水溶液の境界層からさらに下ろしていくと、脂質二分子膜にせんだん力が発生するため、本プローブのz方向の移動可能距離は数百マイクロメートルである。そこで、プローブの挿入口を設置した深さ約100 μmのマイクロ流路を作製し、プローブの駆動範囲を100 μm以下に制限する。さらに、本マイクロ流路内で細胞を培養し、ナノポアプローブにより細胞活性をモニタリングする。
イオン電流の減衰に関しては、ナノポアプローブのポリエチレングリコール(PEG)層の電解液としてイオン液体を用いることでイオン電流の減衰を低減させる。本プローブでは、PEG層の体積が小さいため、イオン電流を測定することでPEG層内のイオン濃度が変化し、イオン電流が低下する。イオン液体を用いることにより、PEG層内のイオン濃度を高くすることができ、イオン濃度の変化による電流値の変化を抑えることができる。
以上のように、今後はナノニードルを用いたプローブ型ナノポアデバイスを用いて細胞活性をモニタリングするために、マイクロ流体制御技術を用いたプローブの駆動範囲の制限、イオン液体を用いたイオン電流の減衰の改善を行う。最終的には、本プローブを用いた細胞活性のモニタリングを行う。
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