2017 Fiscal Year Annual Research Report
蛍光ナノマルチプレクサを利用した多重分子イメージング
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17H02084
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小倉 裕介 大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (20346191)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷田 純 大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00183070)
西村 隆宏 大阪大学, 情報科学研究科, 特任助教(常勤) (10722829)
山田 憲嗣 大阪大学, 医学系研究科, 特任教授(常勤) (70364114)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | バイオイメージング / 応用光学 / ＤＮＡコンピュータ / 蛍光顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生体分子を入力、蛍光を出力、波長符号化光を制御信号とする蛍光ナノマルチプレクサを利用した多重分子イメージング技術を開発することを目的とする。蛍光ナノマルチプレクサは、DNAの自己組織化により蛍光分子をnmオーダーの精度で配置したナノ光論理回路に基づき作製する。今年度は、蛍光ナノマルチプレクサの技術基盤を整備した。
１． ナノ光論理回路の設計 ナノ光論理回路は、光を入出力としナノスケールで論理演算を実行する機構である．その構成要素として、光によって蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）効率を切り換えるFRETスイッチ（YESスイッチとNOTスイッチ）を設計した。切り換えは光活性化蛍光を導入することで行う。吸収・発光スペクトルや蛍光間距離を考慮し、波長532nmと589nmの光で動作する2組のFRETスイッチを設計した。計算により見積もったFRET効率は77%以上であった。
２．FRETスイッチの実証 設計したFRETスイッチを作製し、バルク系において動作を検証した。光入力に依存して出力蛍光が増加／減少することを確認した。ON/OFF比はYESスイッチが1.07，NOTスイッチが1.05であった。また、繰り返し入力に対してもFRETスイッチが応答することを確認した。
３．ナノ光論理回路の検証と評価 FRETスイッチを組み合わせて、2入力1出力のさまざまな演算を検証した。例えば、蛍光ナノマルチプレクサの実装に必要な、I1 AND (NOT I2)の論理回路を実行した。入力の組み合わせに対する出力蛍光強度を測定したところ、入力(1,0)の時には0.88と高くなり、その他の入力では平均0.57と低くなった。これは設定した演算が正しく行われていることを示している。別の複数の論理回路でも同様の結果が得られており、提案手法の正当性が示された。
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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
蛍光ナノマルチプレクサに必要なFRETスイッチを設計し、実験により制御光の強度や照射時間と特性の関係を明らかにした。また、それらの組み合わせで様々な ナノ光論理回路を実装し、2入力1出力の論理演算が行えることを確認している。これらのことから、蛍光ナノマルチプレクサ実装のコアとなる機構の原理が実証できており、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
光入出力ナノ論理回路の原理としては確認しているが、現時点ではON/OFF比が十分ではなく、それがイメージング対象分子数の制限となる可能性がある。そこで、これまでの知見を元にスイッチの設計や蛍光分子に改良、変更を加え改善をめざす。また、蛍光ナノマルチプレクサの実装には、入力分子に応じて蛍光分子を配置する機構が必要である。この機構をナノ光論理回路に組み合わせ、その動作検証を進める。バルク系で特性評価が完了すれば、顕微鏡下でのイメージング実験を実施する。
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