2020 Fiscal Year Research-status Report
マイクロ流体技術と光遺伝学技術の融合によるタンパク質発現ダイナミクスの精密制御
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20K12050
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
金田 祥平 工学院大学, 工学部, 准教授 (10542467)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
磯村 彰宏 京都大学, 高等研究院, 連携助教 (70512466)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | マイクロ流体技術 / 光遺伝学技術 / タンパク質発現ダイナミクス / フィードバック制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，マイクロ流体デバイス技術と光遺伝学技術を融合することで，低分子化合物濃度と光刺激の2入力を精密に制御可能な実験プラットフォームを構築し，出力であるタンパク質発現ダイナミクス(時間変化を伴うタンパク質の個数の増減)の精密な制御を実現する．また，構築したプラットフォームの有用性を検証・評価することを通じ，タンパク質発現ダイナミクスの細胞機能制御への意義を解明することを研究の目的とする．
2020年度は， 以下の研究項目①~③を実施した．
①2入力発現制御と蛍光タンパク質によるダイナミクス可視化技術の確立(分担者) 本項目では，分オーダーでのダイナクス制御を実現するための蛍光タンパク質を用いた光刺激による遺伝子発現誘導の新規可視化技術を確立する．具体的には，青色光により，数秒の露光時間で観察が可能な赤色蛍光タンパク質(RFP)を発現し，その分解速度を低分子化合物のトリメトプリムにより濃度依存的に抑制可能な細胞を作成した．
②2入力発現制御用マイクロ流体デバイス (代表者) 低分子化合物濃度と光刺激の2入力を精密に制御可能なマイクロ流体デバイスを開発した．時間変化を伴う低分子化合物濃度の入力条件制御(濃度/処理時間)は，シリンジポンプの流量制御により，低分子化合物ありと低分子化合物なし培養液の流量比を変えることで実現できる．光刺激条件(照射強度/照射時間)は，青色LED光源の制御で実現できる．
③タンパク質発現応答網羅解析用マイクロデバイス(代表者) 様々な低分子化合物濃度条件におけるタンパク質発現の応答を網羅的に取得可能なデバイスを開発した．具体的には，マイクロ流体濃度勾配場形成技術を用いて，低分子化合物濃度8条件を提示可能なデバイスを開発した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度はコロナ禍の影響を受けたものの，研究代表者が当初予定していた2種類のマイクロ流体デバイス(①2入力発現制御用と②タンパク質発現応答網羅解析用)の製作とその動作確認実験を実施できたこと，分担者が当初予定していた，青色光刺激により赤色蛍光タンパク質(RFP)を発現し，その分解速度を低分子化合物のトリメトプリムにより濃度依存的に抑制可能な細胞を作成できたことを鑑み，概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) マイクロ流体デバイスを用いた2入力発現制御系の実現 (研究代表者) 後述のフィードバック制御プログラムの計算結果を2入力条件に反映し，タンパク質発現ダイナミクスの制御を試みる．デバイス上の細胞培養チャンバは，低分子化合物濃度条件は同一で，計算結果に従って光刺激を与える(1) 精密制御用，光刺激条件を変えた(2) 摂動解析用，光刺激を与えない(3)コントロール用のチャンバを用意する．
(2) フィードバック制御技術の確立による高精度化(研究代表者) タンパク質発現応答網羅解析用マイクロデバイスを，細胞培養チャンバごと異なる光刺激を入力可能な系と発展させ，2入力における応答把握に必要な実験回数や時間を劇的に減らす．得られた実験結果から伝達関数を取得し，発現ダイナミクスのシミュレータをつくる．これを用いてPID制御のゲインパラメータを調整し，タンパク質発現制御を高精度化することを試みる．
(3) 2入力発現制御と蛍光タンパク質によるダイナミクス可視化技術の確立(分担者) 青色光により，数秒の露光時間で観察が可能な赤色蛍光タンパク質(RFP)を発現し，その分解速度を低分子化合物より濃度依存的に促進可能な細胞を作成を試みる．
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| Causes of Carryover |
研究代表者の所属大学では，コロナ禍の影響でキャンパス入構禁止となった期間があったため，マイクロ流体デバイス製作や実験を行う回数が想定より減ったことと，基盤研究(C)における独立基盤形成支援（試行）の交付を受け，必要な備品を当該支援により執行できたことに由来する．
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