Investigation of Responsive Characteristics of Photosynthetic Cells to Environmental Stimuli by Using On-chip Local Environmental Control

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H04543
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Arai Fumihito 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90221051)
• 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) ; 金子 真 名城大学, 理工学部, 教授 (70224607)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

We constructed a system consisting of an on-chip robot and a microfluidic chip. We evaluated the viability of cyanobacteria and measured water permeability at the single-cell level based on changes in cell size in response to rapid changes in osmotic pressure on the order of a few milliseconds. We also measured the stiffness of single cells in response to rapid changes in osmotic pressure on the order of a few milliseconds. We measured and compared the changes in size and hardness before and after dynamic osmotic pressure changes for a cyanobacterial strain with an inactivated transporter gene and a normal strain. We have constructed an engineering technology platform for evaluating the response characteristics of single cells to external stimuli using on-chip local environment control. We also evaluated the characteristics of cyanobacteria related to their ability to adapt to changes in osmotic pressure, and gained knowledge about their mechanical properties.

Free Research Field

ナノ・マイクロメカトロニクス，ロボティクス，機械工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細胞を単一レベルで評価することは困難であり，その機能の多くは未解明なままである．本研究は，オンチップ局所環境制御による単一細胞の外部刺激応答特性を評価するための工学的技術基盤を確立するとともに，藍藻の浸透圧変化に適応する機能に関わる特性を評価し，機械的特性の知見を得た．細胞には数多くの種類のイオン輸送体が存在し，それぞれの役割は異なる．イオン輸送体の役割が徐々に解明され，人為的にイオン輸送体の発現数を調整することで，環境に適応する藍藻をつくり，制御管理することが可能である．これによって創生される藍藻や制御技術は，太陽光を利用した再生エネルギー生産，物質生産，環境保全に結び付くと期待できる．