Advanced microbiobes sepalation and cluturing techniques for post-Koch ecology analysis

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 19H05680
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 佐々 文洋 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (30722681)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥93,730,000 (Direct Cost: ¥72,100,000、Indirect Cost: ¥21,630,000); Fiscal Year 2023: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2019: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: 微生物 / マイクロフルイディックデバイス / BioMEMS / マイクロロボット / ポストコッホ / 組み合わせ培養 / ソフトロボット / 組み合わせ培養・分離 / MEMS / 組み合わせ分離・培養

Outline of Research at the Start

現在の微生物学研究で用いられている培養機器は100 年以上前に開発されたものであり、改良の余 地を多く残している。特に未発見の種を含む膨大な微生物種とその生理的機能の多様性の全貌を解明するため には、従来とは桁違いの数のサンプルを処理可能な微生物分離・培養・解析システムの構築が必要で ある。本研究ではマイクロマシンニング技術を用いて、１プレートで 10 万－100 万単位の単離 培養・分析・保存を可能とする次世代の微生物学研究用ツールを構築する。これにより、従来法では 分離できなかった微生物（微生物ダークマター）のスクリーニングおよび、数種類の微生物の相互作用に基づく複合微生物系の一括分析を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では微生物を培養・機能解析する分析サイズを手作業の限界ではなく、培養デバイスの物理 化学的限界および微生物の生育の限界を基準に設計することで、1 回の実 操作で１デバイスあたり 10万から 100万 位の 立した同時培養および 菌または 菌体レベルの 相互作用の分析を可能とするアレイ型の新規培養デバイスを構築する。これら「独立した極微小環境中での培養・分析」およびそのアレイ化技術の開発を通し、サイズに依存しない純粋な生育応答と微生物間相互作用情報を取得し、分離されたそれぞれの微生物に独立した培養環境を与えることで生育速度による競合を取り除くとともに、微生物の分離・培養・分析をハイスループット化、また個々の微生物集 間の相互作用を一括して解析するためのポストコッホ型の微生物培養 分析のプラットホームを構築する。
R2年度では、R1年度に開発したプロトタイプデバイスの複数環境に対応したバリエーションデバイスを開発した。特に、成長の遅い微生物を培養するための１週間以上の長期培養を目的としたデバイスや試薬添加による培養の影響を評価するためのデバイスを開発した。また、デバイスの培養前処理のための治具類の開発や、一度アレイデバイス上で培養した微生物アレイのレプリカを取得するためのマイクロデバイスおよび、そのレプリカ用デバイスを簡便に扱うための精密位置合わせ治具など、操作性や機能拡張のための周辺技術の開発も同時に行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度に引き続き、マイクロデバイス操作を専門としない生物学研究者が再現性よく培養・分離・分析するための培養デバイス、操作用治具類、およびプロトコルの開発を行った。特に、個別の微生物種、環境、培養条件に合わせた、サイズや素材の異なる複数のバリエーションの培養デバイスの開発を行った。また、一度アレイデバイス上で培養した微生物アレイのレプリカを取得するためのマイクロデバイスおよび、そのレプリカ用デバイスを簡便に扱うための精密位置合わせ治具など、操作性や機能拡張のための周辺技術の開発も同時に行った。共同研究を行っている他の計画班からは本デバイスを用いた新規微生物種の稿をが発見されるなど、デバイスの性能評価を含めの開発が進んでおり大きな進展を見せた。
以上より、本計画は、コロナ下の障害のなかにあってなお、おおむね順調にに進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、これまで通り、様々な培養環境に合わせたマイクロ培養アレイデバイスの開発、治具等ツールやプロトコルの開発に加え、液体/ガス等化学センシング技術を組み合わせた高度な分析実験システムの構築を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Southwest University(中国)
• [Int'l Joint Research] Shahjalal University(バングラデシュ)
• [Journal Article] Chemiresistor sensor matrix prepared by full-printing processes (2021)
  • Author(s): Ge Lingpu、Ye Xiao、Chen Bin、Liu Chuanjun、Guo Hao、Sassa Fumihiro、Hayashi Kenshi
  • Journal Title: Flexible and Printed Electronics Volume: 6 Issue: 1 Pages: 015013-015013
  • DOI: 10.1088/2058-8585/abec19
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microfabricated electrochemical sensing devices (2020)
  • Author(s): F. Sassa, G. C. Biswas, and H. Suzuki
  • Journal Title: Lab Chip Volume: 20 Issue: 8 Pages: 1358-1389
  • DOI: 10.1039/c9lc01112a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Odor Source Detection with High Speed Multi Gas Sensing Robot System using AuNPs-Fluorescent Molecular coupling Opt-Chemical LSPR Sensor (2020)
  • Author(s): Y Kusuda, Z Yang, K. Semas, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-high Sensitive SERS Gas Sensor to detect Geosmin (2020)
  • Author(s): Lin Chen, Noriko Shiramatsu, Bin Chen, Fumihiro Sassa, Shoichi Sameshima, Tatsuya Seki, Kenshi Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2D LSPR gas sensor with Au/Ag core-shell structure coated by fluorescent dyes (2020)
  • Author(s): K Semasa, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 2020 IEEE Sensors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Invisible Odor Trace Tracking with LSPR based High Speed Gas Sensor Robot System (2019)
  • Author(s): Y Kusuda, Z Yang, T Soeda, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inkjet-printed Gas Sensor Matrix with Molecularly Imprinted Gas Selective Materials (2019)
  • Author(s): L Ge, B Chen, H Kawano, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-layer Filter Structure for Molecular Selective SERS Gas Sensor (2019)
  • Author(s): L Chen, B Chen, F Sassa, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2D LSPR multi gas sensor array with 4-segmented subpixel using Au/Ag core shell structure (2019)
  • Author(s): T Soeda, Z Yang, F Sassa, Y Tomiura, K Hayashi
  • Organizer: 18th IEEE Sensors, SENSORS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ポストコッホ生態
  • URL: https://postkoch.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 操作装置及び操作方法 (2020)
  • Inventor(s): 佐々文洋, 武居 修, 茂木一
  • Industrial Property Rights Holder: 佐々文洋, 武居 修, 茂木一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-102019
  • Filing Date: 2020