2020 Fiscal Year Annual Research Report
Mechanical processing platform for single cells and single molecules using optically-driven nanotools
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20H02118
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
寺尾 京平 香川大学, 創造工学部, 准教授 (80467448)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ加工 / 1細胞解析 / 1分子計測 / 生体分子加工 / マイクロ流体デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
切断や組立といった機械加工に相似した操作を、細胞１個と分子１個に対して実現することが本研究の狙いである。それにより細胞・分子を分解して解析し生命現象の理解に繋げること、細胞を改変・組み立てることで医薬品開発や再生医療において有用なバイオサンプルを創出する。そのために、酵素・抗体反応をピンポイントに生じさせる光駆動ナノ工具を開発し、加工対象の細胞・分子を配置固定可能なマイクロ流体ワークテーブル上で１個の細胞・１個の分子に対して機械加工を達成する。
細胞・分子機械加工を達成するため、２つの構成要素からなるプラットフォームの開発に取り組んだ。一つはA)光操作型ナノ工具であり、もう一つは加工する場である加工テーブルに相当するB)マイクロ流体ワークテーブルである。
半導体微細加工技術によってナノメートルサイズの微小構造体を作製し、表面に様々な酵素・抗体を固定することで「ナノ工具」を開発した。このナノ工具は光操作するためのハンドル部と、加工するための反応部から成る。集光レーザーによりハンドル部をトラップ（光ピンセット）することで、溶液中で位置や姿勢を自在に操作できる。反応部に接触した生体分子はその位置でピンポイントに酵素が触媒する化学反応により加工される。本年度は工具作製条件の検討を進め、200nm幅のナノニードル形状を安定に形成する手法を開発した。
マイクロ流体ワークテーブルは、顕微鏡ステージに設置され、加工に必要な工具と細胞を収容し、細胞を所定の位置に搬送・配置する機能を持つ。工具は加工エリアに隣接した工具ストックチャンバーに流体操作によって収容し、その後、生細胞を導入し、微小なトラップ構造を用いて細胞毎に所定の位置に配置する。工具収容については確立し、ピンポイントなDNA切断加工によって実証した。
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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
細胞・分子機械加工を達成するため、２つの構成要素からなるプラットフォームの開発に取り組んだ。一つはA)光操作型ナノ工具であり、もう一つは加工する場である加工テーブルに相当するB)マイクロ流体ワークテーブルである。
半導体微細加工技術によってナノメートルサイズの微小構造体を作製し、表面に様々な酵素・抗体を固定することで「ナノ工具」を開発した。このナノ工具は光操作するためのハンドル部と、加工するための反応部から成る。集光レーザーによりハンドル部をトラップ（光ピンセット）することで、溶液中で位置や姿勢を自在に操作できる。反応部に接触した生体分子はその位置でピンポイントに酵素が触媒する化学反応により加工される。本年度は工具作製条件の検討を進め、200nm幅のナノニードル形状を安定に形成する手法を開発した。さらに、実際に光駆動することで姿勢制御が可能であることを実証した。したがって当初計画の沿って順調に進展している。
マイクロ流体ワークテーブルは、顕微鏡ステージに設置され、加工に必要な工具と細胞を収容し、細胞を所定の位置に搬送・配置する機能を持つ。工具は加工エリアに隣接した工具ストックチャンバーに流体操作によって収容し、その後、生細胞を導入し、微小なトラップ構造を用いて細胞毎に所定の位置に配置する。工具収容については確立し、ピンポイントなDNA切断加工によって実証した。また、細胞組立技術の開発においても新たなマイクロ流体ワークテーブルを考案し、数個の細胞の逐次組み立てまで実証した。今後、組立細胞の回収機構まで含めた設計開発が課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
細胞・分子機械加工のプラットフォームを開発するため、以下の項目それぞれについて、今後、研究開発を進める。
A）光操作型ナノ工具：ナノニードル構造を安定に得ることができることから、今後さらなる微細化と複雑形状の形成に取り組み、よりピンポイントな分子加工を可能にするナノ工具や、形状変形を利用した粘弾性測定への応用など、ナノ工具の展開可能性について検討をひ広げる。また、表面に化学修飾を通して酵素・抗体の固定化についても手法の確立を目指す。
B）マイクロ流体ワークテーブル：DNA分子の加工や、細胞逐次組み立てについてはプロトタイプのワークテーブルで実証実験を達成したことから、今後はより効率的、短時間での操作を可能にするシステム開発を行う。また、加工したサンプルの回収については、未達であることから、今後、ロスなく微小サンプルを回収するための機構を組み込み、検証を進める計画である。
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Research Products
(4 results)
