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特集:ナノ・マイクロ技術を用いたバイオデバイス
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特集にあたって
Introduction
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宮原裕二((独)物質・材料研究機構 生体材料センター バイオエレクトロニクスグループ グループリーダー;東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻/同 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
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バイオデバイス表面のナノ精密創製
Nano-scaled Precise Preparation of Bio-device Surface
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石原一彦(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻;ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 教授)
高井まどか(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻;ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 准教授)
バイオ分子を素子としたデバイスは,低侵襲で微量検体での検査・診断への応用をめざして,高機能化・高精度化するとともに,微細加工技術と相まってマイクロサイズへと移行している。このデバイスを作製するためには,対象となるバイオ分子や細胞の性質を考慮したマテリアルおよび表面が強く求められる。本稿では,バイオデバイス表面のナノメートルオーダーでの精密制御を可能にするマテリアル技術を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. ポリマーマテリアル表面でのバイオ分子・細胞の挙動
3. バイオデバイスの界面設計
3.1 シグナルレベルを維持するマテリアル界面
3.2 ノイズレベルを低くするために必要な界面
4. デバイス表面のナノ精密制御
5. おわりに
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分子マニピュレーション
Molecular Manipulation
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鷲津正夫(東京大学 大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 教授)
筆者らは,誘電泳動などの電気力学的手法や電気浸透流を用いた分子マニピュレーションを通じて,従来の試験管ベースの生化学では実現できない一分子上の位置に関する情報を生かした遺伝子解析,DNAの分子手術,DNA-タンパク相互作用解析についての研究を行っている。ここではそのいくつかの例を紹介する。
【目次】
1. なぜ今,分子マニピュレーションか?
2. DNAの電気力学的伸長固定
3. 電気力学的伸長固定を用いたDNAの切断回収
4. DNAの分子マニピュレーションを用いた分子間相互作用の観察
5. DNAの分子手術
6. 電気浸透流を用いたDNA操作技術
7. おわりに
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遺伝子解析用バイオトランジスタ
Bio-transistor for Genetic Analysis
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坂田利弥(東京大学大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 特任講師;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
松元亮(東京大学大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 特任助手;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
宮原裕二(東京大学大学院 工学系研究科;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 マテリアル工学専攻;(独)物質・材料研究機構 生体材料センター バイオエレクトロニクスグループ グループリーダー)
近年,ヒトゲノムの全塩基配列解読が完了しポストゲノム時代を迎え,創薬開発やテーラーメード医療をはじめ,さまざまな産業においてバイオチップの貢献が期待されている。これらのチップでは,生体分子の特異的反応の検出に蛍光,屈折率,質量,酸化・還元電流,化学発光などが用いられている。本稿では,これらの手法とは異なり,生体分子固有の電荷を電界効果により検出するバイオトランジスタについて紹介し,特にDNA分子認識反応を検出する遺伝子トランジスタについて筆者らの研究を中心に説明する。また,上記遺伝子トランジスタを,一塩基多型(SNPs)やDNAシーケンシング解析に応用する試みについても紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. バイオトランジスタの基本原理
3. DNAプローブの固定化法
4. 遺伝子トランジスタによるDNA分子認識反応の電気的検出
5. 遺伝子トランジスタによる遺伝子多型解析
6. 遺伝子トランジスタによるDNAシーケンシング
6.1 一塩基伸長反応の検出
6.2 DNAシーケンシング
7. おわりに
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一細胞からの生命科学:オンチップ細胞機能計測
On-chip Single-cell-based Measurement System
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安田賢二(東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 システム研究部門 情報分野 教授)
ゲノム・プロテオームだけでは解明できない,細胞レベルでの応答を計測する技術の開発が,創薬・安全性の分野で必要とされている。本稿では,チップ上に一細胞から最小組織・臓器モデルを構築することをめざす一連の「オンチップ・セロミクス計測」から,細胞精製技術,細胞培養計測技術の概要について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 一細胞からの生命科学:オンチップ細胞計測とは
3. オンチップ細胞機能計測のための細胞精製技術
3.1 アプタマー修飾磁気ビーズによる精製
3.2 オンチップ・セルソーターによるアポトーシス誘導
3.3 細胞計測技術の開発
4. 時間軸での細胞機能計測:オンチップ一細胞計測系を用いた世代間比較技術
5. 空間軸での細胞機能計測:細胞集団のコミュニティーサイズ,ネットワークパターンを制御した細胞培養システム
6. おわりに
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トランスフェクションマイクロアレイと遺伝子ネットワーク解析技術
Transfection Microarray for Gene Network Analysis
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三宅淳((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 副部門長)
藤田聡史((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 研究員)
三宅正人((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 主任研究員;㈱サイトパスファインダー 取締役CSO)
発生分化や疾患にかかわる遺伝子は,多くの場合複雑な相互作用によって高次な機能を形成している。従来,DNAチップや質量分析装置を利用して,疾患細胞と正常細胞で発現している遺伝子やタンパク質の比較によって疾患特異的に変動する遺伝子の探索を行っているが,示唆される候補遺伝子の数が数百に及び,全体像を明らかにすることが困難であった。DNAチップのような静的な測定ではなく,遺伝子の変動とそのときの相互関係を示す動的ネットワーク情報を明らかにすることができれば,表現型と遺伝子発現情報との相関性が明らかになると期待されている。このために,細胞を固定し,遺伝子を導入するトランスフェクションマイクロアレイとその時系列解析を行うシステムが開発された。その特性と可能性を記す。
【目次】
1. はじめに
2. 技術内容
2.1 遺伝子導入方法と効率
2.2 時系列解析
2.3 浮遊系細胞への応用
3. ゲノム創薬への応用
4. 再生医療・細胞治療への応用
5. 今後の課題
6. 細胞をめぐる国内外の情勢
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生体電位測定用マイクロプローブアレイチップ
Micro-probe Array Chips for Nerve Potential Detection
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石田誠(豊橋技術科学大学 電気・電子工学系 教授)
川島貴弘(豊橋技術科学大学 電気・電子工学系 助手)
Siマイクロプローブをアレイ化した生体電位測定用マイクロチップの開発とその実証例を解説する。選択的VLS結晶成長法を用いることにより,Si基板上の所望の位置にSiマイクロプローブを形成でき,その直径,長さは制御可能となる。本稿では,Siプローブを直径2μm,長さ60μmとしてアレイ化し,低侵襲・高密度な生体電位測定用デバイスを開発した。また,集積回路上への形成も可能とした。さらに,生理実験を通して神経応答記録を行い,その有用性を確認した。
【目次】
1. はじめに
2. 微小電極アレイ化技術
3. VLS結晶成長Siマイクロプローブアレイ
4. プローブ電極アレイチップ
5. 生理実験用プローブ電極
6. 信号処理回路
7. 神経細胞活動電位の測定
7.1 コイ網膜からの電位測定
7.2 ラット末梢神経束からの電位計測
8. おわりに
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膜を有する細胞培養デバイスとその応用
Membrane-based Microfluidic Cell-culture Device and their Applications
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木村啓志(東京大学 生産技術研究所 博士課程)
酒井康行(東京大学 生産技術研究所 助教授)
藤井輝夫(東京大学 生産技術研究所 教授)
次世代の細胞分析ツールとして期待されているマイクロ流体デバイス,その中でも特に,筆者らが研究開発を進めている膜を有する細胞培養デバイスとその応用例を紹介する。デバイス内に半透膜を配置し,より生体内に近い状態を細胞に提供することで,細胞の成長を促進し,効果的な分析が可能となることがわかってきた。
【目次】
1. はじめに
2. 細胞培養デバイスの特徴
2.1 デバイス材料
2.2 灌流培養や構造による生体内環境の再現
3. 膜を有するデバイスの応用例
3.1 肝臓モデルデバイス
3.2 受精卵培養
3.3 小腸モデル分析デバイス
4. おわりに
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連載 SPring-8の産業利用(11)
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科学捜査の現状・これからとSPring-8
The State of the Scientific Criminal Investigation using SPring-8 and the Future Prospects
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二宮利男((財)高輝度光科学研究センター 産業利用推進室 特別研究員,コーディネーター)
【目次】
1. はじめに
2. 科学捜査の現状
3. 科学捜査のこれからとSPring-8の活用
3.1 乱用薬物
3.2 自動車塗膜用顔料
3.3 医薬品
3.4 ガラス片
3.5 毛髪
4. おわりに
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Market data
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機能性色素の市場動向
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【目次】
1. 概要
2. 応用分野の動向
2.1 光記録分野
2.2 ディスプレイ分野
2.3 プリンター分野
2.4 その他
3. 市場動向
3.1 光記録分野
3.2 ディスプレイ分野
3.3 プリンター分野
4. 企業動向
(1) 大日本インキ化学工業
(2) 日本曹達
(3) 日本化薬
(4) その他
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特集にあたって
Introduction
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宮原裕二((独)物質・材料研究機構 生体材料センター バイオエレクトロニクスグループ グループリーダー;東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻/同 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
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バイオデバイス表面のナノ精密創製
Nano-scaled Precise Preparation of Bio-device Surface
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石原一彦(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻;ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 教授)
高井まどか(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻;ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 准教授)
バイオ分子を素子としたデバイスは,低侵襲で微量検体での検査・診断への応用をめざして,高機能化・高精度化するとともに,微細加工技術と相まってマイクロサイズへと移行している。このデバイスを作製するためには,対象となるバイオ分子や細胞の性質を考慮したマテリアルおよび表面が強く求められる。本稿では,バイオデバイス表面のナノメートルオーダーでの精密制御を可能にするマテリアル技術を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. ポリマーマテリアル表面でのバイオ分子・細胞の挙動
3. バイオデバイスの界面設計
3.1 シグナルレベルを維持するマテリアル界面
3.2 ノイズレベルを低くするために必要な界面
4. デバイス表面のナノ精密制御
5. おわりに
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分子マニピュレーション
Molecular Manipulation
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鷲津正夫(東京大学 大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 教授)
筆者らは,誘電泳動などの電気力学的手法や電気浸透流を用いた分子マニピュレーションを通じて,従来の試験管ベースの生化学では実現できない一分子上の位置に関する情報を生かした遺伝子解析,DNAの分子手術,DNA-タンパク相互作用解析についての研究を行っている。ここではそのいくつかの例を紹介する。
【目次】
1. なぜ今,分子マニピュレーションか?
2. DNAの電気力学的伸長固定
3. 電気力学的伸長固定を用いたDNAの切断回収
4. DNAの分子マニピュレーションを用いた分子間相互作用の観察
5. DNAの分子手術
6. 電気浸透流を用いたDNA操作技術
7. おわりに
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遺伝子解析用バイオトランジスタ
Bio-transistor for Genetic Analysis
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坂田利弥(東京大学大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 特任講師;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
松元亮(東京大学大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 特任助手;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点)
宮原裕二(東京大学大学院 工学系研究科;東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点 マテリアル工学専攻;(独)物質・材料研究機構 生体材料センター バイオエレクトロニクスグループ グループリーダー)
近年,ヒトゲノムの全塩基配列解読が完了しポストゲノム時代を迎え,創薬開発やテーラーメード医療をはじめ,さまざまな産業においてバイオチップの貢献が期待されている。これらのチップでは,生体分子の特異的反応の検出に蛍光,屈折率,質量,酸化・還元電流,化学発光などが用いられている。本稿では,これらの手法とは異なり,生体分子固有の電荷を電界効果により検出するバイオトランジスタについて紹介し,特にDNA分子認識反応を検出する遺伝子トランジスタについて筆者らの研究を中心に説明する。また,上記遺伝子トランジスタを,一塩基多型(SNPs)やDNAシーケンシング解析に応用する試みについても紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. バイオトランジスタの基本原理
3. DNAプローブの固定化法
4. 遺伝子トランジスタによるDNA分子認識反応の電気的検出
5. 遺伝子トランジスタによる遺伝子多型解析
6. 遺伝子トランジスタによるDNAシーケンシング
6.1 一塩基伸長反応の検出
6.2 DNAシーケンシング
7. おわりに
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一細胞からの生命科学:オンチップ細胞機能計測
On-chip Single-cell-based Measurement System
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安田賢二(東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 システム研究部門 情報分野 教授)
ゲノム・プロテオームだけでは解明できない,細胞レベルでの応答を計測する技術の開発が,創薬・安全性の分野で必要とされている。本稿では,チップ上に一細胞から最小組織・臓器モデルを構築することをめざす一連の「オンチップ・セロミクス計測」から,細胞精製技術,細胞培養計測技術の概要について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 一細胞からの生命科学:オンチップ細胞計測とは
3. オンチップ細胞機能計測のための細胞精製技術
3.1 アプタマー修飾磁気ビーズによる精製
3.2 オンチップ・セルソーターによるアポトーシス誘導
3.3 細胞計測技術の開発
4. 時間軸での細胞機能計測:オンチップ一細胞計測系を用いた世代間比較技術
5. 空間軸での細胞機能計測:細胞集団のコミュニティーサイズ,ネットワークパターンを制御した細胞培養システム
6. おわりに
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トランスフェクションマイクロアレイと遺伝子ネットワーク解析技術
Transfection Microarray for Gene Network Analysis
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三宅淳((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 副部門長)
藤田聡史((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 研究員)
三宅正人((独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 主任研究員;㈱サイトパスファインダー 取締役CSO)
発生分化や疾患にかかわる遺伝子は,多くの場合複雑な相互作用によって高次な機能を形成している。従来,DNAチップや質量分析装置を利用して,疾患細胞と正常細胞で発現している遺伝子やタンパク質の比較によって疾患特異的に変動する遺伝子の探索を行っているが,示唆される候補遺伝子の数が数百に及び,全体像を明らかにすることが困難であった。DNAチップのような静的な測定ではなく,遺伝子の変動とそのときの相互関係を示す動的ネットワーク情報を明らかにすることができれば,表現型と遺伝子発現情報との相関性が明らかになると期待されている。このために,細胞を固定し,遺伝子を導入するトランスフェクションマイクロアレイとその時系列解析を行うシステムが開発された。その特性と可能性を記す。
【目次】
1. はじめに
2. 技術内容
2.1 遺伝子導入方法と効率
2.2 時系列解析
2.3 浮遊系細胞への応用
3. ゲノム創薬への応用
4. 再生医療・細胞治療への応用
5. 今後の課題
6. 細胞をめぐる国内外の情勢
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生体電位測定用マイクロプローブアレイチップ
Micro-probe Array Chips for Nerve Potential Detection
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石田誠(豊橋技術科学大学 電気・電子工学系 教授)
川島貴弘(豊橋技術科学大学 電気・電子工学系 助手)
Siマイクロプローブをアレイ化した生体電位測定用マイクロチップの開発とその実証例を解説する。選択的VLS結晶成長法を用いることにより,Si基板上の所望の位置にSiマイクロプローブを形成でき,その直径,長さは制御可能となる。本稿では,Siプローブを直径2μm,長さ60μmとしてアレイ化し,低侵襲・高密度な生体電位測定用デバイスを開発した。また,集積回路上への形成も可能とした。さらに,生理実験を通して神経応答記録を行い,その有用性を確認した。
【目次】
1. はじめに
2. 微小電極アレイ化技術
3. VLS結晶成長Siマイクロプローブアレイ
4. プローブ電極アレイチップ
5. 生理実験用プローブ電極
6. 信号処理回路
7. 神経細胞活動電位の測定
7.1 コイ網膜からの電位測定
7.2 ラット末梢神経束からの電位計測
8. おわりに
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膜を有する細胞培養デバイスとその応用
Membrane-based Microfluidic Cell-culture Device and their Applications
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木村啓志(東京大学 生産技術研究所 博士課程)
酒井康行(東京大学 生産技術研究所 助教授)
藤井輝夫(東京大学 生産技術研究所 教授)
次世代の細胞分析ツールとして期待されているマイクロ流体デバイス,その中でも特に,筆者らが研究開発を進めている膜を有する細胞培養デバイスとその応用例を紹介する。デバイス内に半透膜を配置し,より生体内に近い状態を細胞に提供することで,細胞の成長を促進し,効果的な分析が可能となることがわかってきた。
【目次】
1. はじめに
2. 細胞培養デバイスの特徴
2.1 デバイス材料
2.2 灌流培養や構造による生体内環境の再現
3. 膜を有するデバイスの応用例
3.1 肝臓モデルデバイス
3.2 受精卵培養
3.3 小腸モデル分析デバイス
4. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
連載 SPring-8の産業利用(11)
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科学捜査の現状・これからとSPring-8
The State of the Scientific Criminal Investigation using SPring-8 and the Future Prospects
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二宮利男((財)高輝度光科学研究センター 産業利用推進室 特別研究員,コーディネーター)
【目次】
1. はじめに
2. 科学捜査の現状
3. 科学捜査のこれからとSPring-8の活用
3.1 乱用薬物
3.2 自動車塗膜用顔料
3.3 医薬品
3.4 ガラス片
3.5 毛髪
4. おわりに
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Market data
--------------------------------------------------------------------------------
機能性色素の市場動向
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【目次】
1. 概要
2. 応用分野の動向
2.1 光記録分野
2.2 ディスプレイ分野
2.3 プリンター分野
2.4 その他
3. 市場動向
3.1 光記録分野
3.2 ディスプレイ分野
3.3 プリンター分野
4. 企業動向
(1) 大日本インキ化学工業
(2) 日本曹達
(3) 日本化薬
(4) その他
