2020 Fiscal Year Research-status Report
DNA類似体で構築する高度集積回路の開発と高精度なDNA並列計算への応用
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20K04603
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
礒田 隆聡 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (70284544)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | MEMS / DNA類似体 / 素子 / 集積 / 並列計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では塩基配列の異なるDNAを16bit(約6.6×10＾4ヶ)番地配列した集積電極を、精度の高い並列計算素子として機能させることを最終目標としている。そのためには実施期間中に①人工的に分子設計されたDNA類似体を、演算子として電子回路中で再現性よく動作させるための基盤技術を確立し、②これを16bit(約6.6×104ヶ)集積電極に番地配列し、塩基配列を瞬時に電気信号で判別するための1チップ集積化の要素技術の確立が必要である。試作デバイスが上手く作動した後にハミルトニアン経路計算を検証し、DNA並列計算素子としての有効性を実証する。
そこで初年度は①の基盤技術を確立した。まずガラス基板上にDNA類似体を集積させる番地を4.5bit(約25ヶ）配列した集積電極対の設計と作製を実施した。同時にこの電極群の信号を連続的に切り替えて自動計測できるシリアル測定方式の計測デバイスの設計と試作を行った。このデバイスでは全ての番地の検出感度をスマートフォンで遠隔から設定し、条件を保存できる。そして測定信号をスマートフォンへデータ転送し、遠隔サーバーで自動解析できるシステムとした。このような手法で、複数の番地上の信号を瞬時にスキャンできるDNA類似体チップの作製方法、ならびに計測方法の基盤技術が確立できた。
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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
ガラス基板上にDNA類似体を集積させる番地を4.5bit(約25ヶ）配列した集積電極対を再現性よく作製する方法が確立できた。同時にこの25ヶの電極対の信号をシリアルに測定することのできる計測デバイスが試作できた。そこで研究代表者が保有する特許技術を活用して、集積電極対へタンパクや酵素を再現性よく集積できるか検証した。検証方法は酵素結合抗体を代用して電極群に任意の量を集積し、これを（A）計測デバイス測定と（B）画像解析法の2種類で比較した。電極対に集積した酵素結合抗体は、酵素反応で発色剤を呈色する作用を持つ。そこでこの発色剤の反応量を（A）では電気信号で、(B)では画像解析で数値化する。（A）(B)ともに、酵素結合抗体量と電気応答ならびに色相強度は良く相関した。さらに両者の間には高い相関が見られることも確認できた。
現状の集積化数はまだ少ないものの、複数の番地上の信号を瞬時にスキャンできるDNA類似体チップの作製方法、ならびに計測方法の要素技術が確立できた。また各番地の信号を画像解析で検出できることも新たな知見として得られ、将来的に素子の集積化数を増大させる新たな方策も確立できた。このような理由で、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度はDNA素子を集積させる番地数が4.5bit(約25ヶ）の集積電極の設計と作製までであった。2年目はこの要素技術を展開して、集積化の電極対を1byte (256ヶ）まで増加させることを目標に、新たなチップの設計と作製を試みる。また番地数の増加に対して、配列するタンパク（抗体）の種類が対応できるよう、集積方法の要素技術も合わせて検討する。さらにこの番地数に対応する計測デバイスの要素技術を開発する。必要あれば、この段階で構築された技術に対して特許出願も行う。
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