ナノ構造に起因する殺菌原理解明にむけた単一細胞とナノ構造界面の相互作用解析

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01773
• 研究機関: 関西大学
• 研究代表者: 伊藤 健 関西大学, システム理工学部, 教授 (50426350)
• 研究分担者: 小嶋 寛明 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 上席研究員 (00359077) ; 岩木 宏明 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (00368200) ; 田中 重光 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (20509822) ; 永尾 寿浩 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 統括研究員 (30416309) ; 田中 秀吉 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所, 室長 (40284608)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: ナノ構造 / 殺菌性 / 単一細胞 / 電気化学

研究実績の概要

近年、ナノレベルの突起物が物理的な作用により抗微生物性を発現することが知られている。ナノ構造に付着した細菌は、ナノ構造と細菌の物理的相互作用により細胞外皮が損傷し、やがて死に至ると考えられている。しかし、その詳細なメカニズムについては明らかになっていない。本研究では、メカニズムを解明するために単一細胞レベルでの評価を実施してきた。
具体的には、電気化学インピーダンス分光法(EIS)と蛍光顕微鏡観察を組み合わせることで電極表面と細胞の相互作用を単一細胞レベルで評価する技術を開発した。EBリソグラフィにより金ナノ構造を形成した後、直径20マイクロメートルのスルーホールを形成し、単一細胞をトラップできるウェルを作製した。このデバイスを使うことで、ウェル底部に作製したナノ構造電極に細菌が付着すると電子の授受が妨げられることでインピーダンスが増加する。インピーダンスの増加と蛍光顕微鏡像を同時計測する技術を開発した。この技術を用いて、蛍光たんぱく質を発現した大腸菌および蛍光物質を導入した疑似細胞（リポソーム）のナノ構造への付着と蛍光顕微鏡同時観察を実現した。その結果、大腸菌ではナノ構造に付着後に膜溶解に伴い蛍光強度が徐々に低下することが見られたが、リポソームでは、蛍光強度の低下がみられなかった。リポソームは、細菌の細胞膜より機械的特性が低いと考えられるため、上記の結果は単純な物理的膜破壊とは異なり、生物独自の機構が働いていることを示唆している。一方で、大腸菌とリポソームでは、寸法はほぼ同じであっても大腸菌は桿形、リポソームは球形であることからナノ構造から受ける物理作用が異なることも考えられ、今後はシミュレーションも活用した考察が必要である。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Fluorescence Intensity of Liposomes and E. coli Attached to Nanopillar Arrays: Implications for Bacterial Death on Nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Masato Daimon, Yushi Yanagisawa, Kenta Ishibashi, Yukihiro Tominari, Shukichi Tanaka, Hiroaki Kojima, Tomohiro Shimizu, Shoso Shingubara, and Takeshi Ito
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 6 ページ: 1610-1019
  • DOI: 10.1021/acsanm.2c04489
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cicada wing-inspired artificial nanopatterns with antifouling properties for clay adhesion (2023)
  • 著者名/発表者名: Zihao Zhao , Tomohiro Shimizu, Shoso Shingubara and Takeshi Ito
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: 98 ページ: 085929
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ace562
  • 査読あり
• [雑誌論文] ナノ構造を用いた微生物制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 健
  • 雑誌名: 日本防菌防黴学会誌 巻: 51 ページ: 447-455
• [学会発表] 樹脂ナノピラーの粘土付着に対する防汚性評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 趙子豪、梁楠、清水智弘、新宮原正三、伊藤健
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Antifouling property for clay adhesion of cicada wings and artificial nanopatterns (2023)
  • 著者名/発表者名: Zihao Zhao, Tomohiro Shimizu, Shoso Shingubara, Takeshi Ito
  • 学会等名: 第70回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] 樹脂ナノピラーの表面特性が及ぼす殺菌性能の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松下唯人、清水智弘、新宮原正三、伊藤健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 樹脂製ナノピラーの抗バイオフィルム評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本叡佳、田中重光、永尾寿浩、新宮原正三、清水智弘、伊藤健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] BACTERICIDAL PROPERTIES DEPENDENT WITH THE DIMENSION OF NANOPILLARS AND ELASTIC MODULUS ON POLYMERIC NANOPILLARS (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikki Shingeya, Takeshi Ito, Tomohiro Shimizu, Shoso Shingubara
  • 学会等名: The 2023 IEEE International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP)
  • 国際学会
• [産業財産権] 抗菌材料の製造方法および抗菌材料 (2023)
  • 発明者名: 伊藤 健
  • 権利者名: 関西大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-142783