2018 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, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (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 |
本年度は、(1)マルチ光誘導加速システムの開発と細胞機能制御、(2)光誘導力発生基板の物性評価(3)光誘導加速のミクロな素過程解明の3つの項目で以下の成果を得た。まず(1)では、平坦な光誘導基板へのデュアルビーム照射により発生した2つのバブルにより対流を変調して光集積の効率を単一照射より増大できる条件の存在を見出した。さらにマイクロ流路中でプローブ粒子としての金属ナノ粒子固定化ビーズを光圧で集積してバブルを発生し、その表面に圧力駆動流の補助の下でタンパク質を同時集積することでバブル収縮時に残された凝集体の射影面積からfgオーダーの微量タンパク質を数分で検出できる条件を解明した[米国APL Photonicsに掲載、Scilightなどで紹介]。さらに、非熱的な分子認識の光誘導加速に関しても複数種類のタンパク質への適用可能性を示した。また、ある種の細胞表面におけるプローブ分子との特異的結合の光誘導加速により異種の細胞の識別を行うための条件を見出した他、高輝度な蛍光プローブを細胞内に効率良く導入する生化学的方法に関しても新たな知見を得た。(2)では界面活性剤アシスト型光発熱集合によるナノ粒子やマイクロ粒子の光集積の高効率化に成功し、この知見を活かして迅速細菌計数法の検出限界の改善にも成功した[米国ACS Appl. Bio Mater.に掲載]。さらに、前年度に開発したナノボウル型光誘導基板[JJAPに受理]を用いて数ｍＷ程度の低パワーで細菌の光集積に成功した他、新規開発を進めている疑似気泡型光誘導基板による高生存率かつ高密度の細菌光誘導にも成功した。(3)ではプローブ粒子とターゲットDNAの二重鎖形成の光誘導加速に関するDLVO理論による考察や[JJAPに受理]、表面構造をデザインされた基板における光誘起対流の理論解析により、光誘導加速のミクロな機構解明に著しい進展があった。
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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30年度の研究実施計画の項目(1)～(3)の全てについて大きな進展があり、成果の一部を15件の論文として報告した。特に、本研究で目的としている多種多様な生体サンプルの分子認識の光誘導加速のための一般原理の解明において、fgレベルの微量タンパク質の検出における迅速化の新原理解明、光誘導型細菌数計測法における検出限界の改善や、低ダメージ光誘導基板開発による細胞機能制御の高効率化などで著しい進展があった。また、生体関連の有機分子の光誘導集積による異方的多結晶形成と、その光学特性解明に関する成果も得られており、光誘導加速の適用範囲拡大における重要な進展があった[英国Sci. Rep.に掲載]。さらに、レーザー照射前とほとんど変わらない細菌生存率を誇る疑似気泡基板の開発や、レーザーポインター程度の低パワーでも光集積ができる光誘導基板に開発にも成功している。一連の成果の基礎的理解のための理論開発に関しても流体力学的手法の導入により著しい進展があり、分散質の集積自体が光誘起対流に影響を及ぼすことなど重要な知見も得ている。これらの成果が示すように2年目も当初の計画以上に進展していると評価できる。
※本課題と関連する特筆すべき受賞やメディア掲載を以下に挙げる。
[1] 平成31年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞(2019/4)
「新規ナノ／マイクロ分析場の創成による迅速高感度センサ研究」[受賞者：床波志保]
[2]AIP Scilight "New way to assemble bionanoparticles via shrinkage of light-induced bubbles" (2019/2)
[3] Chem-Station「レーザー光で実現する新たな多結晶形成法」(2018/9)
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| Strategy for Future Research Activity |
項目(1)に関して、これまでに実績のあるDNAの二重鎖形成の光誘導加速の様々な塩基配列への適用範囲拡大や、固液界面での光誘導加速やタンパク質の分子認識をターゲットとした光誘導加速による集合体形成プロセスの基礎的解明も目指す。また、大幅に前進したマルチ光誘導加速システムを用いた多点照射での多様な生体サンプルの光誘導加速の可能性も追求する。さらに、細胞機能制御への応用とイメージング用蛍光プローブの光濃縮の機構解明を目指す。これまでに推進してきたペプチドや機能性タンパク質の光濃縮と細胞認識・細胞内導入技術の最適化と、光誘導加速用の新規蛍光プローブの探索にも着手する。特に、細胞表面への光誘導によりプローブを高濃縮する手法の開拓と、細胞内に高効率導入するための生化学的手段の開拓にも取り組む。項目(2)では、光誘導力発生基板の光照射下での特性評価と性能改善を継続的に行う。本年度に成功した疑似気泡基板での細菌の低ダメージ光濃縮の成果に基いて、多種多様な細菌の低ダメージ迅速計数法への応用を目指すと同時に、DNAやタンパク質などの生体ナノ物質を対象に分子認識能(選択性)を付与した疑似細胞基板の開発も目指す。また、共鳴波長可変の光誘導基板の開発も検討する。項目(3)では、光誘導加速のミクロな素過程解明も継続して行う。特に、(2)と関連して、疑似気泡表面に修飾したプローブ分子と光誘起対流で輸送されたターゲット生体ナノ物質の特異的結合の観測により本項目の目的達成を目指す。特に、界面状態制御下における速度変調の理論的解析も行いながら、多種多様な生化学反応の速度制御の機構解明も目指す。
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| Remarks |
以下のメディアでも成果の一部が紹介された。
[1]「府大，バブルとレーザーで超微量のタンパク質を検出」オプトロニクス、2019年2月4日(月)
[2]「府大ら，レーザー加熱による有機分子の多結晶化法を開発」、オプトロニクス、2018年7月24日(火)
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Research Products
(123 results)
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[Presentation] Development of intracellular delivery system based on exosomes derived from cells in low pH cell culture condition2018
Author(s)
Natsumi Ueno, Mie Matsuzawa, Kosuke Noguchi, Tomoya Takenaka, Ayaka Sugiyama, Nahoko Bailey Kobayashi, Takuya Hashimoto, Tomoka Takatani-Nakase, Eiji Yuba, Ikuo Fujii, Shiroh Futaki, Tetsuhiko Yoshida, and Ikuhiko Nakase
Organizer
The 24th Peptide Forum in Kyoto, 2018: International Mini-Symposium on Peptide-Membrane Interaction and Intracellular Delivery
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