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2018 年度 実績報告書

トンネル電流による1分子シークエンシング法

研究課題

研究課題/領域番号 26220603
研究機関大阪大学

研究代表者

谷口 正輝  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (40362628)

研究期間 (年度) 2014-05-30 – 2019-03-31
キーワード1分子シークエンシング / ペプチド / DNA / ペプチド / 1分子科学 / トンネル電流 / ナノギャップ電極
研究実績の概要

DNAシークエンサー開発の大きなマイルストーンの1つであるバクテリオファージPhiX174の全ゲノム解析に成功した。5386塩基から構成されるPhiX174を、60塩基、120塩基の部分配列に断片化し、60塩基と120塩基の部分配列を1分子シークエンシング法で決定後、アセンブル法により全塩基配列を決定した。1分子シークエンシング法の実証と同時に、1分子シークエンシング法の動作原理を解明するため、1分子の大きさは同程度だが、最高占有分子軌道(HOMO)のエネルギーが異なる分子を用いて、1分子電気伝導度とHOMOのエネルギーの相関を詳細に調べた。その結果、1分子電気伝導度が、電極のフェルミエネルギーとHOMOのエネルギーの差の逆二乗に比例するランダウア―理論に沿うことを明らかにすることが出来た。
電流―時間波形の情報量を増加させて、機械学習による両末端の高精度識別を実現するため、電流計測の時間分解能を10KHzから100KHzまで向上させた計測システムを開発した。この計測システムを用いて、2塩基分子から構成されるDNAオリゴマーの1分子識別を機械学習により行った。機械学習を用いない統計解析法では、DNAの3’末端と5’末端の識別ができなかった。機械学習を用いて、全16種類のDNAオリゴマーの電流―時間波形を解析したところ、3’末端と5’末端の識別できることに成功した。
開発した計測システムを用いて、20種類のアミノ酸の1分子識別を行った。溶液のpH、印加電圧、および電極間距離の制御を行ったところ、電極間距離の最適化を行うことで、全20種類のアミノ酸の1分子電気伝導度―時間波形を取得できた。各アミノ酸分子の1分子電気伝導度の確率密度関数を用いた統計解析により、全20種類のアミノ酸の1分子識別に成功した。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 1件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 備考 (1件) 産業財産権 (3件)

  • [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology/Harvard Medical School(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Massachusetts Institute of Technology/Harvard Medical School
  • [雑誌論文] Direct Analysis of Incorporation of an Anticancer Drug into DNA at Single-Molecule Resolution2019

    • 著者名/発表者名
      Takahito Ohshiro、Yuuki Komoto、Masamitsu Konno、Jun Koseki、Ayumu Asai、Hideshi Ishii、Masateru Taniguchi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 3886(1~9)

    • DOI

      10.1038/s41598-019-40504-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Atomically flat platinum films grown on synthetic mica2018

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hiroyuki、Taniguchi Masateru
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 048001~048001

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.048001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Evaluation of Dielectric Breakdown of Silicon Micro- and Nanofluidic Devices for Electrophoretic Transport of a Single DNA Molecule2018

    • 著者名/発表者名
      Sano Mamiko、Kaji Noritada、Wu Qiong、Naito Toyohiro、Yasui Takao、Taniguchi Masateru、Kawai Tomoji、Baba Yoshinobu
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 9 ページ: 180~180

    • DOI

      10.3390/mi9040180

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrical Nucleotide Sensor Based on Synthetic Guanine-Receptor-Modified Electrodes2018

    • 著者名/発表者名
      Ohshiro Takahito、Verma Rajiv Kumar、Yokota Kazumichi、Tsutsui Makusu、Mukherjee Sanjukta、Kawai Tomoji、Nakatani Kazuhiko、Taniguchi Masateru
    • 雑誌名

      ChemistrySelect

      巻: 3 ページ: 3819~3824

    • DOI

      10.1002/slct.201702341

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Remote heat dissipation in atom-sized contacts2018

    • 著者名/発表者名
      Tsutsui Makusu、Morikawa Takanori、Yokota Kazumichi、Taniguchi Masateru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 7842(1~7)

    • DOI

      10.1038/s41598-018-26203-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Measuring Single-Molecule Conductance at An Ultra-Low Molecular Concentration in Vacuum2018

    • 著者名/発表者名
      Liu Bo、Tsutsui Makusu、Taniguchi Masateru
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 9 ページ: 282~282

    • DOI

      10.3390/mi9060282

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quantitative analysis of DNA with single-molecule sequencing2018

    • 著者名/発表者名
      Ohshiro Takahito、Tsutsui Makusu、Yokota Kazumichi、Taniguchi Masateru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 8517(1~8)

    • DOI

      10.1038/s41598-018-26875-7

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 機械学習と1分子解析 技術の融合によるマルチオミックス解析2019

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      大阪大学産業科学研究所・東京大学生産技術研究所 研究交流会
  • [学会発表] 1分子計測で抗がん剤の作用機序を調べる2019

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会
  • [学会発表] MCBJ法を用いたDNAシーケンシングによる連続塩基数識別法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      小本祐貴、大城敬人、谷口正輝
    • 学会等名
      2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] トンネル電流計測1分子検出法を用いた化学修飾を含む核酸塩基鎖識別法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      大城敬人、小本祐貴、浅井歩、今野雅允、石井秀始、谷口正輝
    • 学会等名
      2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Smart Biosensing Technologies2018

    • 著者名/発表者名
      Masateru Taniguchi
    • 学会等名
      7th imec Handai International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 1分子量子シークエンシング2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] バイオデバイスの基盤技術と開発~1つの遺伝子・ウイルス・細菌を識別する技術~2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      バイオ&ナノ・マイクロデバイス実践セミナー~微細加工技術のバイオ分野への応用に向けて~
    • 招待講演
  • [学会発表] ヘルステックにおける非連続イノベーション2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      第1回COI学会 1st COI Conference
    • 招待講演
  • [学会発表] スマートバイオデバイス2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      第 5回電子デバイスフォーラム 京都プログラム
    • 招待講演
  • [学会発表] 微小信号計測とAI で拓くスマートバイオセンサー2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      日本工学アカデミー講演会 次世代マテリアルシステム~超微小信号計測の汎用化により”Well-Being 2050”を導く~
    • 招待講演
  • [学会発表] 1分子量子シークエンサーの医療応用2018

    • 著者名/発表者名
      谷口 正輝
    • 学会等名
      第38回 キャピラリー電気泳動シンポジウム (SCE2018)
    • 招待講演
  • [学会発表] トンネル電流計測1分子の核酸塩基種の機械学習識別法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      大城敬人、鷹合孝之、吉田剛、小本祐貴、鷲尾隆、谷口正輝
    • 学会等名
      2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [図書] 分子アーキテクトニクス2018

    • 著者名/発表者名
      浅井美博、夛田博一、谷口正輝、寺尾潤、西原寛
    • 総ページ数
      201
    • 出版者
      化学同人
    • ISBN
      978-4-7598-1391-3
  • [備考] 研究室のホームページ

    • URL

      http://bionano.sanken.osaka-u.ac.jp/

  • [産業財産権] 電極基板2018

    • 発明者名
      谷口正輝、大城敬人、真田雅和、宮城聡
    • 権利者名
      谷口正輝、大城敬人、真田雅和、宮城聡
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      K20180200
  • [産業財産権] 電極調整方法および電極調整装置2018

    • 発明者名
      谷口正輝、大城敬人、真田雅和、宮城聡
    • 権利者名
      谷口正輝、大城敬人、真田雅和、宮城聡
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      K20180201
  • [産業財産権] 修飾RNAバイオマーカーによる精密診断法2018

    • 発明者名
      谷口正輝、石井秀始、大城敬人、今野雅充
    • 権利者名
      谷口正輝、石井秀始、大城敬人、今野雅充
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      K20180432

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公開日: 2019-12-27  

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