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プローブ型人工細胞膜システムを用いた3次元細胞分泌計測手法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K26515
補助金の研究課題番号 23H01822 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
研究機関長岡技術科学大学

研究代表者

庄司 観  長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (80788258)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2026年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
キーワード人工細胞膜 / ナノポア / 走査型プローブ顕微鏡 / DNAナノ構造体 / 細胞分泌 / 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 / ナノポアセンシング / ナノピペット
研究開始時の研究の概要

細胞分泌物質は、細胞間情報伝達機能を有し、細胞のふるまいを決める重要な要素である。そのため、細胞分泌物質のリアルタイム計測技術は、細胞生物学、創薬化学の分野におけるゲームチェンジングテクノロジーとなり得る。しかしながら、従来手法では、蛍光標識の必要性や時間経過による感度低下などの課題が存在した。そこで本研究では、非標識・高空間分解能・高感度な細胞分泌物質計測システムの構築を目指し、プローブ型人工細胞膜システムを用いた“走査型プローブ顕微鏡”を開発する。

研究実績の概要

本研究では、細胞分泌物質の三次元マッピングを目指し、人工細胞膜を用いたナノポアセンサとガラスナノピペットを用いた走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を組み合わせた走査型プローブ顕微鏡の開発を目指している。本走査型プローブ顕微鏡は、2本のガラスピペットが束になったダブルバレルピペットを用いて、片側のバレルのみに人工細胞膜を形成したダブルバレル型ナノポアプローブを使用する。本年度は、上記ダブルバレル型ナノポアプローブの開発およびナノポアプローブ位置制御システムの構築を実施した。
1. ダブルバレル型ナノポアプローブの開発:ダブルバレルプローブの両側のバレルにアガロースゲルを充填し、脂質溶液と水溶液が層となった浴溶液にプローブを挿入することで両方のバレルに人工細胞膜を形成した。その後、片側のバレルのみにパルス電圧を印加することで人工細胞膜を破壊し、ダブルバレル型ナノポアプローブを構築した。また、ナノポアプローブを用いてアプローチカーブの取得実験およびポア形成膜タンパク質を再構築した人工細胞膜による分子検出実験を実施し、ダブルバレル型ナノポアプローブの性能評価を実施した。その結果、シングルバレルのピペットを使用した実験と同様のアプローチカーブおよび分子検出性能を確認することができ、ダブルバレル型ナノポアプローブを用いた走査型プローブ顕微鏡開発の可能性が示された。
2. ナノポアプローブ位置制御システムの構築:本走査型プローブ顕微鏡では、人工細胞膜へのポア形成膜タンパク質再構築や人工細胞膜の割れを自動的に検出しプローブ位置を制御する必要がある。そこで、ピペットを流れるイオン電流値から上記状態を認識しプローブのz位置を制御するプログラムをLabViewで構築した。その結果、膜割れやポア数の増加を認識人工細胞膜を自動的に再形成することに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は、ダブルバレルピペットの片側にのみ人工細胞膜を形成したダブルバレル型ナノポアプローブの開発に成功し、アプローチカーブ取得実験および分子検出実験を通して本プローブの性能評価を実施した。さらに、人工細胞膜の割れやポア形成膜タンパク質の再構築数を検出してプローブのz位置を制御するプローブ位置制御プログラムの構築に成功している。以上の結果は、本研究の目標である人工細胞膜を用いたナノポアセンサとガラスナノピペットを用いた走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を組み合わせた走査型プローブ顕微鏡の開発の可能性を示唆する結果であり、当初の予定通りの成果を挙げている。

今後の研究の推進方策

本年度は、ダブルバレル型ナノポアプローブの開発に成功したので、来年度は本プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡の構築を試みる。標準試料の表面形状測定とマイクロ流体デバイスにより構築した分子濃度勾配の計測を実施し、本走査型プローブ顕微鏡による化学物質の3次元イメージングのデモンストレーションを実施する。さらに、選択的な分子検出の実現を目指し、アプタマーとDNAナノポア構造体を組み合わせた分子応答型DNAナノポアの開発を試みる。本ナノポアの分子応答性評価およびダブルバレルピペットを用いたDNAナノポアのイオン電流計測実験を通して、走査型プローブ顕微鏡への応用可能性を検証する。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] DNAナノチャネルの高効率膜挿入手法の開発2024

    • 著者名/発表者名
      AKAI Hiromu、KOIWA Hiroki、IZAWA Yukihiro、SHOJI Kan
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 64 号: 1 ページ: 28-31

    • DOI

      10.2142/biophys.64.28

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The potential of nanopore technologies toward empowering biophysical research: Brief history, basic principle and applications2024

    • 著者名/発表者名
      Yamazaki Hirohito、Peng Zugui、Kawano Ryuji、Shoji Kan
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 21 号: 1 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v21.0003

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Control of Osmotic-Engine-Driven Liposomes Using Biological Nanopores2023

    • 著者名/発表者名
      Shibuya Hinata、Okada Shun、Shoji Kan
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 35 号: 5 ページ: 1213-1218

    • DOI

      10.20965/jrm.2023.p1213

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • 年月日
      2023-10-20
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DNA Nanopore-Tethered Gold Needle Electrodes for Channel Current Recording2023

    • 著者名/発表者名
      Ikarashi Shogo、Akai Hiromu、Koiwa Hiroki、Izawa Yukihiro、Takahashi Jun、Mabuchi Takuya、Shoji Kan
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 17 号: 11 ページ: 10598-10607

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c01565

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] DNA構造体を用いたナノポアセンサの開発2024

    • 著者名/発表者名
      庄司観
    • 学会等名
      2023年度 次世代半導体・センサ科学研究所シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nanopore Sensors Using Probe-Type Lipid Bilayer2023

    • 著者名/発表者名
      Kan Shoji
    • 学会等名
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Biosensors Using Artificial Cell Membranes2023

    • 著者名/発表者名
      Kan Shoji
    • 学会等名
      8th STI-Gigaku
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Aptamer-Modified DNA Nanopore Sensor for Biomolecular Measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Akai, Kan Shoji
    • 学会等名
      34th 2023 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Automated Lipid Bilayer Formation by Capacitance Feedback Control2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroto Ishizuka, Kan Shoji
    • 学会等名
      34th 2023 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] TARGETED INSERTION OF DNA NANOPORE INTO GIANT LIPOSOMES2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Koiwa, Shinichiro M. Nomura, Satoshi Murata, Kan Shoji,
    • 学会等名
      The 27th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DEVELOPMENT OF ELECTROCHEMICAL DNA SENSOR WITH NANOPORE-BASED DNA EXTRACTION FUNCTION2023

    • 著者名/発表者名
      Haruki Tanabe, Kan Shoji
    • 学会等名
      The 27th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Scanning Ion Conductance Microscopy Using Biological Nanopore Probes2023

    • 著者名/発表者名
      Kan Shoji
    • 学会等名
      第61回生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] DNAナノポアを用いた細胞分泌計測を目指して2023

    • 著者名/発表者名
      赤井大夢,平野太一,馬渕拓哉,庄司観
    • 学会等名
      第9回サイボウニクス研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 分子応答型DNAナノポアの電圧依存性に関する検証2023

    • 著者名/発表者名
      赤井大夢,庄司観
    • 学会等名
      Cheminas48
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 自動膜形成システムを用いたハイスループットナノポアセンシング2023

    • 著者名/発表者名
      石塚洋渡,庄司観
    • 学会等名
      Cheminas48
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] DNAナノポアの高効率膜挿入手法の開発

    • URL

      https://www.nagaokaut.ac.jp/shincyaku/202305/30.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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