| Project/Area Number |
19KK0129
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
許 岩 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90593898)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仲村 英也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00584426)
萩原 将也 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 理研白眉研究チームリーダー (00705056)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | ナノ流体デバイス / ナノ粒子 / アプタマー / 表面増強ラマン散乱(SERS) / シミュレーション / 細胞膜透過性 / ナノ加工 / 1分子検出 / １細胞 / 生体分子計数 / 情報 / 3Dナノ電気穿孔法 / 細胞内送達 |
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| Outline of Research at the Start |
精密かつ系統的，網羅的に健康を理解し疾患を個人レベルで最適な診断，観察，治療するためには，１細胞レベルで人体の包括的な生体分子情報が求められる．しかし，既存技術では１細胞分子情報の全容が抽出できない．そこで，我々は独自のナノ流体デバイス技術に基づいて，１細胞の生体分子情報を容易に高精度・ハイスループットで抽出できる「１細胞情報の二次元化」戦略を提案した。本研究では，北米・アジアの研究グループとの共同研究を通じてこの戦略確立へのボトルネック的な課題を解決する．本研究が実現すれば，生命科学だけではなく情報科学も革新することが期待され，幅広い領域への学術的・科学技術的・社会的波及効果をもたらす．
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和２年度は、新型コロナウイルスのパンデミックのため、海外共同研究先に出向いて共同研究を行うことのできない状況に応じて、研究推進方策及び研究計画を調整しながら下記の研究内容項目を取り組んだ。まず、細胞情報の二次元化におけるボトルネックとなっている課題である１細胞内標的生体分子の収集を解决するために、海外共同研究先の米国ペンシルベニア州立大のWang教授が得意とする核酸アプタマー技術に着目した。アプタマーは、抗体に代わる生体分子認識が可能なバイオマテリアルであり、目標生体分子のみを特異的に認識し生体分子情報を収集するために働けることが考えられる。Wang教授の助言と指導を受けながら、ナノ流路内におけるアプタマーのナノバイオ界面の構築が初めてできた。また、標的生体分子の収集の新たな手法を考案するため、ナノ加工のパラメーター検討実験を行い、極限ナノ流路構造の加工技術を確立した。この極限ナノ加工技術を用いて極微小の金ナノギャップをナノ流路内に作製することに成功した。この超微小の金ナノギャップを利用して表面増強ラマン散乱(SERS)により1分子情報を収集、検出する可能性を試した。ナノ流体デバイスを用いたSERSが確立できれば、１細胞内標的生体分子の収集の新たな手法になることが期待される。理論計算について、海外共同研究先の中国北京航空航天大のChang教授と議論を行い、実際の実験条件と実験で得た知見を理解した上、分子動力学シミュレーションを用いて、ナノ粒子の粒子径が電場印可時の細胞膜透過性に与える影響について解析した。粒子径が3.9nmから7.5nmのナノ粒子を対象とした。その結果、7.5nmの粒子でもナノ粒子の膜透過が見られ、同時に膜の自己修復も起こることが分かった。そして、細胞操作のほうについて、細胞周りの環境の局在を人為的に制御することにより、細胞の移動方向の制御を達成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和２年度（２０２０年度）は、新型コロナウイルスのパンデミックの先行き見通しが不透明の中、様々な困難を事前に想定し、本研究申請の際に提案した研究推進方針を調整して年度計画を立てた。実際状況に応じて様々な工夫をしながら、海外の共同研究先の先生の助言と指導を積極的に得ることにより、生体分子情報を収集するためのナノバイオ界面の構築やナノ粒子の細胞内導入の実験知見に基づく理論計算などの研究項目を実施し、年度初に立てた目的の大部分を達成したと言える。また、年度初に計画していなかった、超微小の金ナノギャップを利用して表面増強ラマン散乱(SERS)により1分子情報を収集、検出する手法を新たに提案し探索した。この探索は、本研究の生体分子の収集の新たな手法につながる可能性があるだけではなく、SERS検出の新たなプラットフォームになる可能性も秘めている。さらに、当面は新型コロナウイルスパンデミックの収束の見通しがないことを考慮し、来年度の方針と計画も調整する必要があることを想定した上、今後の本研究課題の新展開につながると期待されるナノ界面による分子濃縮、収集と1分子検出系の構築という研究項目を追加して少し取り組んだ。従って、令和２年度は、当初計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度（２０２１年度）は、昨年度に新型コロナウイルスのパンデミックのため海外共同研究先に出向いて共同研究を行うことのできない状況に応じて調整した研究実施計画を踏まえ、現在でもパンデミック収束のめどが未だはっきりとは立たない中、研究目的の達成に向けて、下記のとおりに研究計画を実施する。研究の進み方について、Zoomなどのミーティングツールを活用し、海外共同研究先と活発なオンライン打合せを行うことを通じて、助言と指導をいただきながら共同研究を推進する。具体的には、中国北京航空航天大のChang教授の助言と指導のもと、昨年度に行った分子動力学シミュレーションにより見出した知見に基づいて、電気操作によるナノ粒子の細胞膜を透過するメカニズムを更に理論計算で究明する。そして、米国ペンシルベニア州立大のWang教授の助言と指導のもと、研究代表者の研究室で、昨年度に探索し始めたアプタマーを用いたナノ流路内における生体分子捕捉法の開発に更に取り組み、新たな生体分子情報収集の手法を創出する。また、生体分子情報収集の実現に向けて、ナノ粒子の操作の自由度を向上することを目的とし、ナノ流体デバイスにおける光操作による複数粒子の光操作の手法を開発する。尚、新型コロナウイルスのパンデミックの動向を常に注視し、状況に応じて研究内容を柔軟に調整しながら上記の研究計画を実現していく。また、一旦新型コロナウイルスのパンデミックが収束し海外で研究活動を再開できるようになる見込みが立ち次第、日程と身の安全を確保した上で、事前に万全な実験準備を揃えて、海外の共同研究先の研究室に出向いて共同研究を積極的に実施する。
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