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2016 年度 実施状況報告書

ISFETを利用した細胞型膜タンパク質機能解析プラットフォームの提案

研究課題

研究課題/領域番号 16K14107
研究機関日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所

研究代表者

樫村 吉晃  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主任研究員 (90393751)

研究分担者 大嶋 梓  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 研究員 (90751719)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワードイオン感受性電界効果トランジスタ / 人工脂質膜 / 膜タンパク質 / 微小井戸 / ナノバイオ
研究実績の概要

膜タンパク質の機能を解析する手段としては、パッチクランプ法に代表されるようにチャネル電流を直接検出する手法がゴールドスタンダードであるが、信号が極めて小さく(数pA以下)、ウェット系の計測であるためにノイズや再現性の問題など課題が多い。本研究の目的は、人工脂質膜中に膜タンパク質を再構築した系において、膜タンパク質の機能を従来のチャネル電流の直接計測ではなく、細胞サイズに制御された微小井戸に備えられたイオン感受性電界効果トランジスタ(ISFET)構造で検知する新たなプラットフォームをを提供することである。今年度は主に、本提案の根幹をなすISFETを底部に備えた微小井戸構造の設計および作製を以下のように行った。
ISFETはデプレッション型とし、酸化膜(40nm)付きp型シリコン基板上に作製した。イオン注入(イオン種:P)によってソースおよびドレイン電極を形成したが、最適な構造を検討するために、チャネル長を1μm以上のスケールで変化させた構造を複数同一基板上に作製した。この構造の上にTⅰ/SⅰN/SⅰO2(100nm/1000nm/200nm)を成膜した。微細加工によってISFET構造のチャネルの上部に微小井戸を形成し、続いてSiNを選択的エッチングすることによってオーバーハング構造のついた微小井戸を作製した。オーバーハング構造は脂質膜で井戸をシールする際の脂質膜の安定性を大幅に増す効果がある。井戸の径は500nm、1μm、2μm、4μmの4水準とした。
今後は作製したデバイスの基礎的な特性を評価する予定である。まず、脂質膜がない状態において、検出感度と微小井戸径、チャネル長との相関を検討し、最適なデバイス構造に関する知見を得る。

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

当初は、イオン注入後、シリコン酸化膜上に直接SⅰN/SⅰO2(1000nm/200nm)を成膜し、微小井戸形成後、エッチングによりオーバーハング構造とする予定であった。しかしながら、予備検討の段階で、エッチングの際にイオン検出に最も重要なゲート酸化膜までエッチングされてしまうことが判明しプロセスの再検討を行ったため、当初の予定より若干の遅延が生じた。その結果、ゲート酸化膜上にTi(100nm)をストッパー層として追加することにより当初予定していたオーバーハング付き微小井戸構造が作製可能であることがわかった。

今後の研究の推進方策

1、デバイスの基礎特性評価
脂質膜がない状態において、H+、Na+、K+、Ca2+などの生理活性に代表的なイオン種について、様々な濃度におけるデバイス応答特性を調べる。具体的な評価方法としては、ISFETの伝達特性(VG-ID特性)を計測し、ドレイン電流(ID)一定の条件下での閾値電圧の変化をイオンによる界面ポテンシャルの変化分として評価する。この際に、イオン種ごとに濃度と閾値電圧の検量線を作成するのと並行して、ISFETのチャネル長や微小井戸径に対する依存性も検討し、計測条件の最適化を行う。
2、ISFETによる膜タンパク質機能計測原理の確認
微小井戸を人工脂質膜でシールし、α-ヘモリシンなどのモデルチャネルを再構成する。このように作製した微小井戸は細胞と同程度かそれ以下の大きさを持ち、擬似的な細胞環境(人工細胞)とみなすことができる。チャネル機能によるイオン輸送をISFETによって検出することを試み、電気生理的手法によって検出した結果と感度比較を行う。

次年度使用額が生じた理由

NTTアドバンステクノロジ社に発注したマイクロホール付きISFETに関して、NTT厚木研究所内の当該物品作製の為の装置(スパッタ製膜装置およびRIE装置)が高周波設備の法定手続きにより約2か月間使用不可となり、製作が滞り年度内での納品が不可となった為、納期を延伸し過年度納品とした。

次年度使用額の使用計画

2017年4月21日に物品が納品され、すでに全額使用済みである。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Fabrication of Nanobiodevices that Utilize the Function of Membrane Proteins2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kashimura, A. Oshima, K. Sumitomo
    • 雑誌名

      NTT Technical Review

      巻: Vol.14, No.8 ページ: -

  • [学会発表] 脂質膜でシールした微小井戸におけるBSAコーティングの効果2017

    • 著者名/発表者名
      樫村吉晃、大嶋梓、中島寛
    • 学会等名
      第64回春季応用物理学会講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] Formation of Lipid Bilayer Suspended over Microwells on Al2O3 Surface2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kashimura, A. Oshima, K. Sumitomo, H. Nakashima
    • 学会等名
      ICNME2016
    • 発表場所
      神戸国際会議場(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2016-12-14 – 2016-12-16
    • 国際学会
  • [学会発表] 脂質膜でシールしたSi基板上の微小井戸におけるイオン拡散メカニズム2016

    • 著者名/発表者名
      樫村吉晃、大嶋梓、住友弘二、中島寛
    • 学会等名
      第77回秋季応用物理学会講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 人工脂質二分子膜の浸透圧による変形2016

    • 著者名/発表者名
      大嶋梓、樫村吉晃、住友弘二、中島寛
    • 学会等名
      第77回秋季応用物理学会講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] Mechanism of Ion Diffusion from/into Microwells Sealed with a Lipid Membrane2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Kashimura, A. Oshima, K. Sumitomo, H. Nakashima
    • 学会等名
      KJF-ICOMEP2016
    • 発表場所
      アクロス福岡(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-09-04 – 2016-09-07
    • 国際学会
  • [学会発表] Raft like domain at a lipid bilayer suspended over microwells2016

    • 著者名/発表者名
      K. Sumitomo, A. Oshima, A. Tanaka, Y. Kashimura, Y. Tamba
    • 学会等名
      KJF-ICOMEP2016
    • 発表場所
      アクロス福岡(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-09-04 – 2016-09-07
    • 国際学会
  • [学会発表] ナノピラーと脂質支持膜を用いた神経細胞のパターニング2016

    • 著者名/発表者名
      河西奈保子、Gonzalves, Watanabe, 樫村吉晃、後藤東一郎、田中あや、塚田信吾、住友弘二、中島寛
    • 学会等名
      第39回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2016-07-20 – 2016-07-22

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公開日: 2018-01-16  

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