オンチップロボティクスを基盤とする光合成細胞の機能計測と解析

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246045
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 新井 史人 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90221051)
• 研究分担者: 川原 知洋 九州工業大学, 若手研究者フロンティア研究アカデミー, 准教授 (20575162) ; 丸山 央峰 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60377843) ; 魚住 信之 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40223515)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: マイクロ・ナノデバイス / 先端機能デバイス / 細胞計測 / 生物・生体工学 / ナノバイオ

研究実績の概要

大きさ約2μmのラン藻を対象として，細胞の局所環境制御とマルチパラメータ計測を高速かつ連続に行うため，マイクロ流体チップ（チップ）内にロボットを組み込み，これを非接触で操作するシステムを構築する．ラン藻の粘弾性の計測のため微細なプローブを微細加工により試作する．これをロボットの先端に取り付けチップ内に組み込む．ラン藻を一つずつ送り出して計測部に固定する搬送機能の基礎実験を進める．ロボットは直接外部駆動により位置決め制御を行い，浸透圧変化による細胞の粘弾性計測を試みる．本年度は以下の4項目を実施した．
(1)微細加工技術・システム構築：高剛性のチップを構築するために，ガラス材料とシリコン材料をシート状に微細加工した構造物を複数積層して接合することで，力計測プローブ及び力センサを有するチップを製作した．この方法により，チップの機械的剛性を向上した．
(2)細胞計測・制御：ラン藻を1個単位で操作可能な光ピンセットを，細胞計測用プローブを組み込んだマイクロ流体チップで利用可能な計測システムを構築した．光ピンセットで任意のラン藻1個を計測プローブ先端に搬送し，プローブでラン藻に力を印加し，ラン藻の変形量及び印加力からラン藻の機械的特性を評価する．光ピンセットを利用したラン藻の力計測用のチップの設計を行った．
(3) 環境計測・制御：チップの流体制御と光ピンセットの単一微生物操作を組み合わせた，流路内に導入した中の任意のラン藻を計測位置に搬送・固定するシステムの設計を行った．また細胞の酸素消費活性を開放系で計測可能な蛍光計測システムの試作を行った．
(4)細胞計測・評価・機能解析：標的輸送系の対象を拡げた．また，ラン藻の遺伝子不活化株を作成した後の確認テスト，浸透圧刺激に対するマルチパラメータ変化を計測，正常株との比較を行い．ラン藻の浸透圧調整機構の仕組みと機能の解析を行った．

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

本研究の特色は，マイクロ流体チップ内にマイクロ・ナノロボットを組み込み，光合成細胞であるラン藻のマルチパラメータ（機械的特性：弾性・粘性，大きさ，電気・化学特性）をオンチップで高速かつ連続的に計測する点にある．今年度は機械的特性計測の計測精度向上のためにラン藻へ力を印可する可動プローブ部とマイクロ力センサを有するマイクロ流体チップの剛性を向上した．微細加工条件の調整及びプローブ周辺の流体解析により，オンチップでの可動プローブ及びマイクロセンサの安定な駆動を実現しており，チップのガラス及びシリコン基板の接合を工夫することで更なるチップの高剛性化が可能であり，ラン藻とプローブの力学的相互作用を計測するシステム構築に向けて順調に進展している．流体制御技術及び光ピンセットを用いたラン藻のローディング機構の試作も行っており，フロー系でのラン藻の連続計測に向けた準備が進んでいる．以上のように本研究はラン藻のマルチパラメータの高速・連続計測にむけて順調に進展している．

今後の研究の推進方策

特に大きな問題点はないが，引き続き以下に沿って進める．
(1)　微細加工技術・システム構築：引き続き微細加工技術により，マイクロ流体チップを作製する．マイクロ流体チップに剛性を持たせるために，ガラス材料とシリコン材料を利用してシート状に微細加工した構造物を複数積層して，組み立てることで力計測プローブを有するマイクロ流体チップを作製する．これまでの加工法を改良し，接合を工夫することで漏れの問題を解決し，計測精度を向上する．
(2)　細胞計測・制御：計測系に光ピンセットを組み込んで細胞をトラップできるように改良する．また，力センサプローブの材料を変更することで，レーザとプローブの干渉を避ける工夫をほどこす．光ピンセットにより細胞を計測ポイントに搬送することで，連続計測とスループットを向上する．さらにチップ内での気液界面の影響をなくすよう，センサとアクチュエータをチップ内に組み込む改良を施すことで，計測精度の向上を試みる．画像情報による変形計測によりオンチップで粘弾性計測を行う．
(3)　環境計測・制御：マイクロ流体チップの流体制御を行い，ラン藻に浸透圧ショックを与える機能を追加する．この機能を活かして計測系とリンクして，ラン藻の粘弾性を計測する．
(4)　細胞計測・評価・機能解析：浸透圧に関与する輸送体をターゲットとして，ラン藻の遺伝子不活化株を用意し，浸透圧刺激に対するマルチパラメータを計測し，正常株と比較する．これによりラン藻の浸透圧調整機構の仕組みと機能を解析する．

研究成果

• [雑誌論文] Defining membrane spanning domains and crucial membrane-localized acidic amino acid residues for K+ transport of a Kup/HAK/KT-type Escherichia coli potassium transporter (2014)
  • 著者名/発表者名: Sato, Y., Nanatani, K., Hamamoto, S., Shimizu, M., Takahashi, M., Tabuchi-Kobayashi, M., Mizutani, A., Schroeder, J. I., Soma, S., and Uozumi, N
  • 雑誌名: J. Biochem 巻: 155 ページ: 315-323
  • DOI: 10.1093/jb/mvu00
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characterization of the role of a mechanosensitive channel in osmotic down shock adaptation in Synechocystis sp. PCC 6803 (2013)
  • 著者名/発表者名: Nanatani, K., Shijuku, T., Akai, M., Yukutake, Y., Yasui, M., Hamamoto, S., Onai, K., Morishita, M., Ishiura M., and Uozumi, N.
  • 雑誌名: Channels 巻: 7 ページ: 238-242
  • DOI: 10.4161/chan.25350
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 蛍光酸素センサを用いたオンチップ単一卵子酸素消費量計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鬼頭雅伸，丸山央峰，新井史人
  • 学会等名: 第28回化学とマイクロ・ナノシステム学会
  • 発表場所: 姫路
  • 年月日: 2013-12-05 – 2013-12-06
• [学会発表] オンチップ・インピーダンスアナライザ（気液界面による静電デバイスの空間的分離） (2013)
  • 著者名/発表者名: 垣尾翼，佐久間臣耶，杉田真邦，新井史人
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス講演会2013
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2013-05-22 – 2013-05-25
• [備考] 名古屋大学大学院工学研究科マイクロ・ナノシステム工学専攻 新井研究室 Research Fields
  • URL: http://www.biorobotics.mech.nagoya-u.ac.jp/research/research.html