2021 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。2年目は②の塩基配列を電気信号で検出するための要素技術を確立するため、DNAと同様に複合体の形成機能を持つ抗体分子を用いてこれを電極上に集積化する技術を確立した。次に集積した抗体分子を認識する抗原分子を用いて、その応答性を電気信号で捉える方法を調査した。このような要素技術によって、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一部確立できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度はガラス基板上に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作製した。これに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。そこで2年目は4.5bitから1byte(256ヶ）に集積度を増加させるため種々の検討を行ったところ、初年度で選定したガラス基板では設計や加工の自由度が限定され、開発した計測デバイスに実装できないことが判明した。そこで自由度の高い樹脂基板を使用することに計画を変更した。この仕様変更に時間がかかり、当初の予定より遅れが生じた。選定後は上記で確立した（A）（B）の2種類の方法で、集積した抗体分子と抗原分子との認識性能の検出の調査を行い、概ね目途が立ったところである。このような理由で、当初の計画よりやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は開発の遅れのため、DNA素子を集積させる番地数を1byte(256ヶ）まで引き上げることができなかった。そこで最終年度では、まず集積化の電極対を1byte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検出法の要素技術も新たに開発する。これらの要素技術の中から検出部の高度集積化が達成できる最も現実的なものを選定し、最終的にDNA類似体を用いた検出部の16bit化と信号検出を試みる。
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Research Products
(5 results)
