夾雑を制御するための細胞融合デバイス開発

• 研究領域: 分子夾雑の生命化学
• 研究課題/領域番号: 17H06355
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 田端 和仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50403001)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 104,650千円 (直接経費: 80,500千円、間接経費: 24,150千円); 2021年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円); 2020年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円); 2019年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円); 2018年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円); 2017年度: 26,650千円 (直接経費: 20,500千円、間接経費: 6,150千円)
• キーワード: マイクロチャンバー / オスモライト / micro-TAS / micro TAS / 脂質二重膜 / チャンバー / 1細胞 / microchamber / インルルエンザウイルス / 人工細胞 / MEMS / 合成生物学 / マイクロデバイス / 溶液交換 / 構成的生物学 / 無細胞合成 / クラウディング / 細胞サイズ

研究成果の概要

細胞内夾雑環境が生命機能に与える影響を調べるため、人工的な夾雑環境の構築、制御のためのデバイス開発を実施した。まずは、細胞内夾雑環境の制御を目的にマイクロチャンバー内に大腸菌を融合させたデバイスを作成し、その転写翻訳活性を細胞質の希釈の程度に対して調べたが、それらに相関は見られなかった。続いて、人工的な夾雑環境をオスモライト分子により作成し、in vitro転写翻訳系の活性と相関を調べたところ、複数のタンパク質においてその効果が認められた。また、マイクロチャンバーデバイスで連続的に溶液交換可能なシステムを開発し、チャンバー内とチャンバー外の溶液を変えて浸透圧変化を起こす系の開発にも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまで細胞内夾雑環境に関する研究はたくさんの細胞を対象としたバルクでの研究が多く、全体の平均としての結果しかわからなかった。今回、1細胞を対象に研究を進めたところ、それぞれ異なる反応を示し、分布を形成していることがわかった。また、細胞内に大量に存在する低分子オスモライトが、タンパク質の転写翻訳に影響を与えていることもわかった。さらには、細胞内夾雑環境を積極的に制御するための手法として、浸透圧を利用し、融合細胞のサイズを変える方法も開発している。これらの成果は細胞内夾雑環境と生命活動が密接に関わっていることを示唆しており、今後の研究につながる成果となっている。

研究成果

• [雑誌論文] A microreactor sealing method using adhesive tape for digital bioassays (2022)
  • 著者名/発表者名: Yaginuma, H., Ohtake, K., Akamatsu,T., Noji, H., Tabata, K.V.
  • 雑誌名: Lab on a chip 巻: - 号: 10 ページ: 2001-2010
  • DOI: 10.1039/d2lc00065b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Amplification of Over 100 kbp DNA from Single Template Molecules in Femtoliter Droplets (2021)
  • 著者名/発表者名: Ueno,H., Sawada,H., Soga,N., Sano,M., Nara,S., Tabata,K.V., Su’etsugu, M., Noji,H.
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 10 号: 9 ページ: 2179-2186
  • DOI: 10.1021/acssynbio.0c00584
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A synthetic ion channel with anisotropic ligand response (2020)
  • 著者名/発表者名: Muraoka Takahiro, Noguchi Daiki, Kasai Rinshi, Sato Kohei, Sasaki Ryo, Tabata Kazuhito, Ekimoto Toru, Ikeguchi Mitsunori, Kamagata Kiyoto, Hoshino Norihisa, Noji Hiroyuki, Akutagawa Tomoyuki, Ichimura Kazuaki, Kinbara Kazushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 2924-2924
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16770-z
  • NAID: 120006878529
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Revealing the Metabolic Activity of Persisters in Mycobacteria by Single-Cell D2O Raman Imaging Spectroscopy. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ueno H, Kato Y, Tabata KV, Noji H.
  • 雑誌名: Anal Chem. 巻: 91 号: 23 ページ: 15171-15178
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03960
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Accurate high-throughput screening based on digital protein synthesis in a massively parallel femtoliter droplet array (2019)
  • 著者名/発表者名: Yi Zhang, Yoshihiro Minagawa, Hiroto Kizoe, Kentaro Miyazaki, Ryota Iino, Hiroshi Ueno, Kazuhito V Tabata, Yasuhiro Shimane, Hiroyuki Noji
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 5 号: 8 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.aav8185
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regeneration of Escherichia coli giant protoplasts to their original form. (2019)
  • 著者名/発表者名: *Tabata KV, Sogo T, Moriizumi Y, Noji H.
  • 雑誌名: Life 巻: 9 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.3390/life9010024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Osmolyte-Enhanced Protein Synthesis Activity of a Reconstituted Translation System (2019)
  • 著者名/発表者名: Moriizumi Yoshiki、Tabata Kazuhito V.、Miyoshi Daisuke、Noji Hiroyuki
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 8 号: 3 ページ: 557-567
  • DOI: 10.1021/acssynbio.8b00513
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hybrid cell reactor system from Escherichia coli protoplast cells and arrayed lipid bilayer chamber device. (2018)
  • 著者名/発表者名: Moriizumi Y, *Tabata KV, Watanabe R, Doura T, Kamiya M, Urano Y, Noji H.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30231-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Single-virus measurement reveals virus populations (2021)
  • 著者名/発表者名: Tabata KV.
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In vitro genome amplification and editing (2021)
  • 著者名/発表者名: Tabata KV.
  • 学会等名: Minmal Cell Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single virus measurements -Highly sensitive detection and distribution of virus populations- (2020)
  • 著者名/発表者名: 田端 和仁
  • 学会等名: 2nd WPI-NanoLSI Special Seminar -Frontiers in Chem-Bio-
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロデバイスにバクテリアを融合する (2019)
  • 著者名/発表者名: 田端和仁
  • 学会等名: 第92回日本生化学会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロチャンバーでつくるとはかる (2019)
  • 著者名/発表者名: 田端和仁
  • 学会等名: 日本分析化学会第68年会
  • 招待講演
• [学会発表] デジタルアッセイが生み出す技術革新 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田端和仁
  • 学会等名: 2019年度第2回バイオマイクロナノテク研究会
  • 招待講演
• [学会発表] バクテリアを微小容器に再構成する (2019)
  • 著者名/発表者名: 田端和仁
  • 学会等名: 第13回日本ゲノム微生物学会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞内夾雑環境をマイクロデバイス内に作り込む (2018)
  • 著者名/発表者名: 田端和仁
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Toward reproduction of a bacterium from hybrid cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito V. Tabata
  • 学会等名: Artificial Cell Reactor Science and Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High sensitive measurement system and bacterium reconstitution by microchamber (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito V. Tabata
  • 学会等名: JSSB seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bacterium reconstitution in microchamber towards genome transplantation and high sensitive detection of flu virus. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhito V. Tabata
  • 学会等名: JCVI seminar
  • 招待講演
• [産業財産権] デジタルアッセイ方法及びデジタルアッセイキット (2021)
  • 発明者名: 田端 和仁、柳沼 秀幸、野地 博行
  • 権利者名: 田端 和仁、柳沼 秀幸、野地 博行
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-140677
  • 出願年月日: 2021
• [産業財産権] 酵素反応生成物の検出方法 (2018)
  • 発明者名: 田端和仁
  • 権利者名: 田端和仁
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-037085
  • 出願年月日: 2018