マイクロ流体破砕を用いた細胞膜の裏側解析技術

• 研究課題/領域番号: 19K22079
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分27:化学工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山口 哲志 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (80398106)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 膜タンパク質 / 1細胞解析 / 細胞膜 / 細胞内小器官 / 光応答性材料 / 細胞固定化剤 / 分子イメージング / マイクロ流体 / 細胞破砕 / GPCR / タンパク質間相互作用

研究開始時の研究の概要

本研究では、マイクロ流体のせん断応力を利用して基板上に並べた細胞を瞬時に破砕することによって、直前まで生きていた細胞の細胞膜の裏側表面に解析用の分子プローブや薬剤ライブラリーを作用させる技術を開発する。本手法では、細胞膜裏側の分子を1細胞レベルで定量的に調べることが出来、未知であった分子システムの作用機序についての理解が深まり、学術上の発展につながることが期待される。また、細胞の表現型のみを指標とした網羅的薬剤探索戦略から、細胞膜裏側表面の分子解析に基づいた合理的な分子設計へと創薬戦略に変革をもたらすことも期待される。

研究成果の概要

光応答性細胞付着剤を修飾したマイクロ流路を用いて、細胞膜の裏側や細胞内小器官表面の膜タンパク質を網羅的に1細胞解析する技術を開発した。光応答性細胞付着剤表面に光を照射することで、流路の底面に1細胞アレイを構築した。高速の送液により細胞を破砕し、細胞底面の膜（細胞膜シート）のアレイを高効率に得る技術を開発した。電子顕微鏡観察により、このシート上では各種小胞や細胞骨格繊維が観察された。また、細胞の運動性に関わる受容体の細胞内ドメインのリン酸化を検出できた。破砕時の細胞間隔を狭めることで、細胞頭頂部のみを破砕できることを発見し、細胞内小器官を残したまま破砕する技術も開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

細胞膜の内側や細胞内小器官表面に存在する膜タンパク質は、様々な生命現象や疾患に関わる。しかし、細胞膜透過性の無い抗体などの解析ツールや薬剤ライブラリを生きたままの状態で作用させられなかった。また、膜タンパク質への修飾や結合を1細胞レベルで解析出来なかった。本研究成果により、直前まで生きていた細胞の細胞膜の裏側や細胞内小器官表面に対し、界面活性剤や有機溶媒などで膜構造を壊すことなく、分子を作用させられるようになった。今後は、この革新的な技術によって標的膜タンパク質の修飾や局在、結合分子を可視化・同定することで、関連する分子システムの解明に貢献し、創薬標的の探索にも有効であると期待される。