2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of On-demand Light-induced Acceleration System Targeting Various Biological Sample
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17H00856
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
飯田 琢也 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10405350)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
床波 志保 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60535491)
中瀬 生彦 大阪府立大学, 研究推進機構, 講師 (40432322)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノバイオ / 分析科学 / 分子認識 / 光濃縮 / 微生物 / 細胞 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多種多様なナノ・マイクロスケールの生体関連物質を「光」で誘導濃縮して生化学反応を加速するための原理を解明し、シンプルな構成で迅速かつ高効率にバイオ分析や薬物送達ができるオンデマンド型の『光誘導加速システム』を創成することが本研究の目的である。初年度はこの目的達成のため、3つの小項目に取組んだ。 まず項目(1)-(A)では光誘導加速による生体物質、細菌の検出法確立を目指した。具体的な成果として、光誘導加速によるDNA の二重鎖形成を電気的に検出する方式の基礎構築を行った(特願2017-95715)。また、プローブ粒子のサイズ・材質を適切に選定することで、マイクロ流路中でタンパク質とホスト分子の特異的結合を非熱的に光誘導加速できることも解明した。さらに、細胞へのリガンド導入の光誘導加速に関する初歩段階の知見も得た。また、複数種類の生体サンプル(DNA、タンパク質、細胞など)で夾雑物中でも光誘導加速ができることを示すデータも得た。続いて、項目(2)-(A)では光誘導力発生基板の開発を行い、細菌の光誘導検出に関しても液面形状の調節と界面活性剤添加により集合効率が大幅に向上することを解明した(PCT/JP2018/007608)。また、自己組織化により簡便に低ダメージで微生物を光誘導捕捉できるマイクロ細孔基板(PCT/JP2017-017934)やナノホールアレイ基板の開発にも成功した(特願2017-095849)。項目(3)-(A)に関しては分子認識の光誘導加速の理論に関してはこれまでに開発したMRMM法により細菌と分子鋳型の特異的結合の外場誘導加速の物理化学的機構の解明に成功し(Sci. Rep. 2017)、項目(2)-(A)で開発したマイクロ細孔基板における光誘起対流の評価と細菌のトラップ機構の解明における重要な知見も得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で述べたように、平成29年度の研究実施計画の小項目(1)-(A)、(2)-(A)、(3)-(A)全てにおいて大きな進展があた。さらに、得られた知見に関してPCTを含む多数の特許出願(計6件)を行い、マイクロ流路中での光誘起力と光誘起対流の相乗効果を利用した微量タンパク質検出に関する予備的成果も論文投稿を完了した。また、DNA、タンパク質、細菌、細胞の全ての生体サンプルについて分子認識の光誘導加速に関する重要な知見が得られ、2年度以降に実施予定であった(1)-(B)、(2)-(B)、(3)-(B)に関する準備も整い、マルチ光誘導加速システムの開発に関する基礎的成果も前倒しで得られ学会発表の準備をしている。以上の内容を鑑みても、非常に良いスタートを切ることができ、当初の計画以上に進展していると評価できる。
※本課題と関連し、受賞5件があったことも特筆すべき点である。
[1] OMC Best Paper Award from SPIE (2017/4)“Macroscopic Assembly by Optical Control of zmol-level DNA Hybridization” [受賞者：Takuya Iida]
[2] 2017堀場雅夫賞、(株)堀場製作所（2017/10）、床波志保、"水中細菌計測のための細菌表面構造転写技術の開発"、[受賞者：床波志保]
[3] 第6回女性化学者奨励賞、日本化学会（2018/3）、"機能性ナノマイクロ構造デザインと新規バイオ分析技術の創生"、 [受賞者：床波志保]
[4] 第34回 とやま賞、公益財団法人 富山県ひとづくり財団（2017/5）、"ペプチド化学を用いた細胞内薬物送達と機能制御の基盤技術開発" [受賞者：中瀬生彦] 他1件
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| Strategy for Future Research Activity |
項目(1)-(A)マルチ光誘導加速システムの開発に関しては初年度の成果を基礎として、生体物質、細菌の光誘導加速の原理解明を行いつつ、多分岐したレーザー光を用いた構成でマルチ光誘導加速システムを構築してハイスループット化を狙う。また流体チップ中やマイクロウェル中でのプローブとの特異的結合の光誘導加速の機構解明も行いながら多種生体サンプルに適用可能なシステムの試作を行う。さらに、光照射により高密度集積したプローブ粒子とターゲットDNA の集合体のインピーダンス測定に基く光誘導型迅速DNA電気検出法の開拓を狙う。また、項目(1)-(B)に関しては、細胞への分子認識による取込効果を、光誘導加速により数十nM オーダーのリガンドを用いて実現するための条件を探索する。初年度に開発した光誘導力発生基板を用いたリガンドの光濃縮のための条件探索を本格スタートし、細胞内小器官の機能制御の条件探索も行う。さらに、項目(2)-(B)では光誘導力発生基板の光物性の評価をレーザー集光システムに搭載した局所消衰スペクトル計測装置で行いつつ、近接場顕微分光を援用して、ナノ領域での線形・非線形光学応答の評価も行い、ソフトに光誘導加速を行うための基板の条件解明や光照射により集積した生体試料とプローブの集合系の物性評価も行う。項目(3)-(B)光誘導加速のミクロな素過程解明については薄膜上に修飾したDNA と蛍光標識したターゲット DNA の特異的結合の解明を目指す。高感度蛍光検出をベースとした単一分子イメージング／分光法システムを援用し、分子認識の光誘導加速の素過程解明を行い、得られた結果を項目(1)へフィードバックする。
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| Remarks |
Sci. Rep. 7, 16651 (2017)が同誌の2017年の化学分野のTOP100に選定
食中毒菌を転写したポリマー膜の高選択・迅速検出のメカニズムを解明, 大阪府立大学プレスリリース, 2017/12/1(http://www.osakafu-u.ac.jp/news/publicity-release/pr20171201/)
日本農業新聞、Yahoo!ニュースなど多数メディアで紹介
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Research Products
(101 results)
