2019 Fiscal Year Annual Research Report
Functional analysis of environmental response of photosynthetic cells by on-chip spatiotemporal control
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18H03762
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
新井 史人 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90221051)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
魚住 信之 東北大学, 工学研究科, 教授 (40223515)
丸山 央峰 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60377843)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 超精密計測 / ナノバイオ / 機械力学・制御 / バイオ関連機器 / マイクロ流体チップ / 光ピンセット / ラン藻 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
オンチップで計測環境状態を時空間的に制御し，異なる環境刺激下における粘弾性の変化をみることで，ラン藻の生体膜で機能するイオンチャネルによる環境適応能力を調べることが目的である．今年度の研究実績の概要を以下にまとめる．
A．微細加工・システム構築： マイクロ流体チップの方式において，溶液置換の高速化を考慮して，チップデザインを改良した．有限要素法解析によって，数秒以内に，溶液が置換できる方法の有効性を確認した．さらに，気液界面を利用した新しい溶液置換方法を考案し，基礎実験を行った．また，周波数変調方式による動的力センシングのための機構設計を行い，プローブの変位計測が可能であることを検証した．
B. 動的機械特性計測： マイクロ流体チップ方式により，ラン藻の粘弾性計測を行った．また，AFMを用いた計測系を構築し，安定計測のためのラン藻の固定条件を明らかにし，異なる浸透圧環境下での単一ラン藻の機械的特性を計測した．計測環境の溶液を置換する前後で，ラン藻の粘弾性の動的な変化を計測して比較した結果より，AFMプローブ先端の形状が重要であることがわかった．AFMプローブ先端形状をフラットにすることで，チップ方式と同じ傾向の結果が得られることがわかった．
C． 環境制御・計測： ハイドロゲル構造体を用いて計測環境のマルチパラメータ計測を行った．環境計測に用いるハイドロゲル構造体は，マイクロ流体チップを用いてサイズ調整し，UV硬化により作成した．この結果，サイズばらつきの少ないマイクロセンサを連続生成することが可能となった．
D. 細胞計測・評価・機能解析： ラン藻のメカノセンシティブチャネル欠損株を作成し，AFMを用いた計測系を用いて，異なる浸透圧環境下での単一ラン藻の機械的特性を計測した．正常株と比較して，通常と低浸透圧条件において，欠損株の剛性が下がることが計測された．
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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
溶液置換の高速化を目指し，力計測系と溶液置換系を改良した新しいチップを設計した．また，環境制御系および動的な粘弾性計測系を実装した．さらに，AFMを用いた計測系も並行して進め，ラン藻の正常株と遺伝子欠損株の粘弾性計測を行い，両者の違いを確認した．目的に即し，計測方法の設計・解析と実験による基礎検討を計画通りに行ったため，順調に進捗している．
A．微細加工・システム構築： マイクロ流体チップの方式において，溶液置換の高速化を考慮して，チップデザインを改良した．動的力センシングの検証やチップによる実験的な検証を進めるための改良が順調に進んでいる．さらに，周波数変調方式による動的力センシング方法や，気液界面を利用した新しい溶液置換方法を考案し，来年度も進めていく予定である．
B. 動的機械特性計測： AFMを用いた計測系を構築し，ラン藻やイースト菌の固定条件を明らかにできた．これにより，AFMを用いた計測系を用いて，計測環境の溶液を置換する前後で，ラン藻の粘弾性の動的な変化を計測できるようになった．両者により同様な計測結果が得られており，計測の手軽さなど，チップ計測の優位性が明らかになっている．ただし，AFMプローブ先端の形状が重要であることがわかり，粘性の評価が可能となった点は大きな前進である．
C． 環境制御・計測： マイクロ流体チップを用いて環境計測に用いるハイドロゲルマイクロビーズのサイズを調整し，サイズばらつきの少ないマイクロセンサを連続生成することが可能となった．センサの精度がサイズばらつきに依存しているため，環境計測精度の向上が見込める．
D. 細胞計測・評価・機能解析： AFMを用いて，正常株と遺伝子欠損株を比較できるようになった点は大きな進歩であった．通常と低浸透圧条件において，ラン藻欠損株の剛性が下がるが，粘性に大きな違いがないことが計測された点は興味深い．
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| Strategy for Future Research Activity |
異なる環境刺激下における粘弾性の変化から，ラン藻の生体膜で機能するイオンチャネルによる環境適応能力に関して，物理指標に基づいて評価する．まず，力計測系と溶液置換系をさらに改良したものを用いて，各計測機能の統合実装する．また，引き続き環境制御系および動的な粘弾性計測系を実装し，安定性の向上，適切な分解能の実現，測定レンジの調整，キャリブレーションを行う．また，ラン藻を用いて，計測条件変化にともなう信号変化を観測し，計測対象の遺伝子発現の分析を行う．
A．微細加工・システム構築： マイクロ流体チップ方式において，機構並びに計測系全体のアーキテクチャの設計基盤の構築を推進する．動的力センシングのための機構設計，および駆動制御の構築，改良を行う．また，マイクロ流体チップのフローシステム，光ピンセットによる細胞搬送などの統合設計・解析を推進する．さらに，環境計測制御と粘弾性計測を同時に実施することが可能な統合化システムを設計して構築する．
B. 動的機械特性計測： マイクロ流体チップ方式およびAFMを用いた計測系により，ラン藻の粘弾性計測を行い，計測結果を比較する．また，マイクロ流体チップ内部を局所的に溶液置換する制御系を構築し，ラン藻への刺激前後の形状変化を画像データから解析するシステムを用いて，ラン藻の浸透圧変化に対する特性を評価する．
C． 環境制御・計測： 計測環境の化学種濃度制御，および，蛍光ゲルセンサアレイを利用した非接触の環境マルチパラメータ計測を行う．環境計測に用いるハイドロゲル構造体は，UV硬化により実装する．
D. 細胞計測・評価・機能解析： 引き続き，ラン藻の生体膜で機能する輸送体および細胞体積調節蛋白質の遺伝子の不活化株を相同的遺伝子組換え技術によって作成し，動的な環境変化（刺激）によるラン藻の力学的特性計測と評価を，正常株と比較する．
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Research Products
(3 results)
