2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of Responsive Characteristics of Photosynthetic Cells to Environmental Stimuli by Using On-chip Local Environmental Control
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21H04543
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新井 史人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90221051)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉浦 広峻 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10844805)
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) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 超精密計測 / マイクロ流体チップ / ナノバイオ / 機械力学・制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
藍藻を用いて，生体膜で機能するイオン輸送体による環境適応能力を調査する．この目的を達成するため，マイクロ流体チップとマイクロプローブを有するオンチップロボットシステムを統合し，特定細胞への刺激量を動的かつ精密に制御し，細胞応答計測を動的に行うこととした．今年度は，以下に述べる２通りの方法で研究を進めた．
(1) マイクロ流体チップ内の気液界面を使って，微小な液滴を10 ms以下の短時間で置換し，細胞に浸透圧変化などの外部刺激を与え，細胞の大きさ変化を高速ビションによって，計測・評価する．
(2) マイクロ流体チップ上の細胞をマイクロプローブによって拘束し，超高分解能を有するピペットを用いて溶液を高速に吸引吐出制御することによって，msオーダーの短時間で外部刺激を与える．そして，マイクロプローブによって，細胞の機械特性を計測する．
今年度は，チップ内の局所環境制御技術および，局所環境に細胞を位置決めし，動特性を計測する方法に関する基礎実験を行い，以下の成果を得た．A． 微細加工・システム構築：オンチップロボットおよびマイクロ流体チップの設計，並びに計測系全体のアーキテクチャの設計技術基盤の構築した．PZT駆動のマイクロポンプによって高速に溶液置換する方法の基礎実験を行った．B. 動的機械特性計測：藍藻の大きさ変化，粘弾性計測を実現する動的力センシングのための機構を設計し，システムを構築した．C． 環境制御・計測：蛍光色素を用いて，藍藻の生死判別を行い，溶液置換の前後で細胞膜への影響を調べた．これにより，藍藻が死にいたらない条件を調査した．D. 細胞計測・評価・機能解析：藍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）による藍藻の力学的特性計測を行った．
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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
藍藻の生体膜で機能するイオン輸送体による環境適応能力を調査する目的を達成するため，特定細胞への刺激量を動的かつ精密に制御し，細胞応答計測を動的に行う２通りの方法を考案し，基本システムの設計を行い，原理検証のための基礎実験を行った．どちらの方法もそれぞれ有効性が得られ，順調に研究が進んでいると判断できる．以下にその概要をまとめる．
(1) マイクロ流体チップ内の気液界面を使って，微小な液滴を10 ms以下の短時間で置換し，細胞に浸透圧変化などの外部刺激を与え，細胞の大きさ変化を高速ビションによって，計測・評価する方法では，実際に複数の藍藻に対して，ほぼ同時に外部刺激を与えることに成功した．単一細胞レベルで複数のデータを得られる点において有利であり，その有効性が示せた．また，蛍光色素を用いて，藍藻の生死判別を行い，死んだ細胞に独特の形状変化がみてとれることを明らかにした．以上により，藍藻の特性計測において，基礎的で重要な知見が得られたといえる．
(2) マイクロ流体チップ上の細胞をマイクロプローブによって拘束し，超高分解能を有するピペットを用いて溶液を高速に吸引吐出制御することによって，短時間で外部刺激を与える方法では，実際に藍藻の計測データを取得できた．msオーダーの短時間を達成するために，PZT駆動のマイクロポンプを設計試作し，高速溶液置換の有効性を確認できた．これにより，より短時間で細胞に外部刺激を与え，プローブによって粘弾性がその場で評価できる見通しが立てられた点は大きな成果である．
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| Strategy for Future Research Activity |
マイクロ流体チップとマイクロプローブを統合し，細胞への刺激を動的かつ精密に制御し，細胞応答計測を微小空間において動的に行う．今後も，以下に述べる２通りの方法で研究を進める．
(1) マイクロ流体チップ内の気液界面を使って，微小な液滴を10 ms以下の短時間で置換し，細胞に浸透圧変化などの外部刺激を与え，細胞の大きさ変化を高速ビションによって，計測・評価する．
(2) マイクロ流体チップ上の細胞をマイクロプローブによって拘束し，超高分解能を有するピペットを用いて溶液を高速に吸引吐出制御することによって，msオーダーの短時間で外部刺激を与える．そして，マイクロプローブによって，細胞の機械特性を計測する．
今後は，技術的課題の見直しと，各計測機能の統合実装を行う．環境計測制御，動的機械特性計測系を実装し，各機能間の干渉の排除や，安定性の向上，測定レンジの調整，キャリブレーションを行う．また，藍藻を用いて，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．以下に，実施予定項目をまとめる．A． 微細加工・システム構築： オンチップロボットおよびマイクロ流体チップの改良に基づいて，並びに計測系全体のアーキテクチャの設計技術基盤の構築を推進する．B. 動的機械特性計測： 藍藻の生理活性を評価軸に加えて，大きさ変化や粘弾性計測を実現する，動的力センシングのための機構設計を行う．C． 環境制御・計測： 溶液置換に伴う細胞への悪影響を調べ，細胞が死にいたらない条件にて，チップおよび微小液滴内の濃度制御を調整できる技術を確立する．D. 細胞計測・評価・機能解析： 藍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）による藍藻の力学的特性計測と評価を，正常株(野生株)と比較する．
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