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センサ応用に向けた3次元脂質二分子膜評価系の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K13770
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分34020:分析化学関連
研究機関東北大学

研究代表者

平本 薫  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (40963038)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワード電気化学発光 / 脂質二分子膜 / ハイドロゲル / 導電性ポリマー / 電気化学センサ
研究開始時の研究の概要

細胞を形づくる細胞膜は情報伝達やエネルギー代謝を行う重要な足場として機能している。細胞膜の主成分は脂質二分子膜であり、人工的に再構成することができる。このような人工脂質二分子膜は高度な生命機能を生体外で享受するための有力なナノ・バイオインターフェイスとなることが期待されている。本研究では、ハイドロゲルや導電性ポリマーゲルを利用して柔軟性や細胞の曲率を再現した支持体を作製し、生体膜のダイナミクスを表現できるような脂質二分子膜センサを開発する。光学検出・電気(化学)的検出と、生体膜特性を十分に発揮できる脂質二分子膜基板の形成技術を確立し、汎用的な生体分子検出のセンサプラットフォームの提案を目指す。

研究実績の概要

本研究では、脂質二分子膜をセンサ界面に用いる生体模倣性のあるバイオセンサ技術の開発を目的としている。特に、生体膜の特性として重要である「流動性」と「曲率」に着目し、人工脂質二分子膜でこのような生体膜の特徴を再現することで、新しいバイオセンシング素子をつくることを目標としている。
今年度は、立体的な支持膜の作製方法として(1)電極基板への直接ゲル形成、(2)リソグラフィーを利用した微小立体構造への脂質二分子膜修飾を検討し、グレーリソグラフィーを用いた立体基板の作製を行った。また、導電性ポリマーであるPEDOT:PSSをElectrohydrodynamic(電気流体力学)ジェットを用いて吐出する方法について検討を行った。グレーリソグラフィーで作製した立体基板に対しては、電気化学発光による評価が進められたものの、導電性ポリマーおよびハイドロゲルを利用した立体基板作製に関しては微細構造を作製するための条件出しを行っている段階である。
一方で、平板の固体電極上での支持人工脂質膜の作製と評価の検討が進み、抗菌ペプチドの脂質膜への作用を電気化学計測によって評価できた。この研究内容については、国内学会(化学とマイクロナノシステム学会)および国際学会(電気化学会)で報告している。ただし、平板基板ではエッジ部分に脂質膜の欠陥ができやすく、電気抵抗が生体膜と比較して小さいことも同時にわかってきた。そのため、滑らかな接地面を有する立体基板を作製し、生体膜に近い電気抵抗および膜容量をもつセンサ界面を作ることが継続課題となっている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2022年度に採択された研究活動スタート支援のテーマである、脂質二分子膜の電気化学発光イメージング法の開発に時間を要したためハイドロゲルを利用した立体基板の作製に遅れが生じている。しかし、先の研究テーマで立ち上げた光褪色後蛍光回復法の測定システムや、電気化学発光イメージングシステムなど、本テーマに転用できる検出系は立ち上がっておりこのノウハウを生かして研究を推進できると考える。

今後の研究の推進方策

ハイドロゲルおよび導電性ポリマーで作製した立体電極基板に対して人工脂質二分子膜のコーティングを施し、電気化学特性を調査する。並行して、電圧印加に伴う基板の膨張・収縮を評価できる計測系を導入し、膜の曲率や流動性のコントロール機構を開発する。
最終的に、脂質膜に対する膜タンパク質等の生体分子の導入を行い、その挙動をセンシングするためのシステムを立ち上げることを目標とする。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Optical properties of ultrathin biohybrid membranes: implications for optoelectronic applications2024

    • 著者名/発表者名
      T. Ma, K. Watabe, M. Komiya, K. Hiramoto, X. Feng, D. Tadaki, A. Hirano-Iwata
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: - 号: 16 ページ: 0-0

    • DOI

      10.1021/acsanm.3c04080

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Evaluation of respiratory and secretory activities of multicellular spheroids via electrochemiluminescence imaging2023

    • 著者名/発表者名
      K. Hiramoto, K. Komatsu, R. Shikuwa, A. Konno, Y. Sato, A. Hirano-Iwata, K. Ino, H. Shiku
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 458 ページ: 142507-142507

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2023.142507

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Developing electrochemiluminescence imaging method for the study of supported lipid bilayers2023

    • 著者名/発表者名
      K. Hiramoto K. Ino A. Hirano-Iwata and H. Shiku
    • 学会等名
      International Society of Electrochemistry 74th Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On the use of Electrochemiluminescence Microscopy: keys to visualizing biological phenomena2023

    • 著者名/発表者名
      K. Hiramoto
    • 学会等名
      International Virtual Nanopore Weekly Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 細胞活性測定のための電気化学インターフェース2023

    • 著者名/発表者名
      平本薫
    • 学会等名
      Chem-Bio Joint Seminar 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Electrochemical measurement techniques for the evaluation of 3D cell models2023

    • 著者名/発表者名
      K. Hiramoto
    • 学会等名
      日本表面真空学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 脂質二分子膜の新規電気化学発光イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      平本薫 伊野浩介 平野愛弓 珠玖仁
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第48回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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