2021 Fiscal Year Research-status Report
医療現場での感染症や遺伝子迅速診断のためのフォトニックDNAバイオセンサーの開発
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21K05280
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
高田 忠雄 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (60511699)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | バイオセンサー / DNA / プラズモニクス / 光電流 / 近接場光 / ハイブリダイゼーション連鎖反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
感染症やがん診断、遺伝子解析等の医療分野への応用を目的として、体液（尿、血液、粘液）由来の核酸(DNA, RNA)を対象とした高感度検出技術の有用性が急速に高まっている。申請者はこれまでに、DNAが有する分子認識機能と電子移動特性に着目し、核酸の高感度検出を可能とする光電気化学センサーの開発を行ってきた。本研究では、迅速性や検出感度の飛躍的な向上を目指し、DNAの分子認識と金ナノ粒子(AuNP)表面に生じる近接場を組み合わせた光応答システムの基本原理を確立し、増幅光電流シグナルによって極微量核酸の迅速検出を可能とするフォトニックDNAセンサーの開発を進めた。具体的には、１）近接場光を利用した電子移動反応システムの確立とフォトニックDNAセンサーの作製、２）AuNPナノ構造体における局在電場増強を利用した光電流増幅の実現、３）等温増幅法を組み合わせたターゲット核酸RNAの超高感度検出システムの開発、に関する研究を進めた。DNAの二本鎖形成を利用して電極に金ナノ粒子を配列し、光増感分子を近接場光励起することで光電流が生じることが分かった。さらに、金ナノ粒子を積層させることで近接場光が増強されるようにナノ構造体を構築することで、電流が向上することが示された。次に、電極表面上でDNAのハイブリダイゼーション連鎖反応(HCR)を利用した電流増強について検討した。標的核酸をトリガーとしてHCRを起こし、光増感剤をDNAに結合させると結合数の増加に応じた光電流の増加が観測され、核酸検出バイオセンサーとしての有用性が示された。
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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
DNAの二本鎖形成を利用した電極表面への金ナノ粒子の積層体構築と光電流応答評価、また等温ハイブリダイゼーション連鎖反応による光電流増幅について検討を行った。金ナノ粒子の積層体を電極表面に構築し、光増感分子として水溶性ポルフィリン、ペリレンジイミド誘導体を用いて測定を行ったところ、積層体を構築することで電流上昇が観測された。ナノ粒子間のギャップがホットスポットとなって光電子反応効率が向上したためと考えられる。次に、DNAの等温で二本鎖形成が連続的に起こるハイブリダイゼーション連鎖反応(HCR)を電極表面上で行い、光増感剤を結合させて光電流が増加するかを調べた。ターゲット核酸の存在によってHCRが進行するように配列を設計した。反応後に光増感剤を加えて電流測定行ったところ、伸長に伴う電流上昇が観測され、シグナル増幅が可能であることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
電極表面上での金ナノ粒子積層構造の局所構造の評価、高効率な積層体の構築法について検討を進める。ハイブリダイゼーション連鎖反応(HCR)については、伸長反応効率が向上する反応条件を検討し、さらなるシグナル増幅が可能かどうかについて検討する。光増感剤の吸収極大波長と金ナノ粒子のプラズモン吸収との重なりの程度と光電流増幅等の関連性についても明らかにする。HCRを利用して電極表面に金ナノ粒子が積層・集積するような反応系の構築を進め、これを利用した微量核酸検出センサーへの応用を検討する。
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| Causes of Carryover |
購入予定としていた冷却遠心機を別の装置で代用することで購入が不要になった。また、今年度の実験実施において、サンプル作製に必要なDNA合成試薬及び金ナノ粒子溶液の使用量が想定よりも少なく、本年度に追加購入する予定である。
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