[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

複雑な生化学反応の条件検討に最適! マイクロ流体技術を使った新手法

[スポンサーリンク]

今回紹介する論文は、東京大学生産技術研究所の藤井輝夫教授、フランス国立科学研究センターの Y. Rondelez 研究員らの研究です(トップ画像出典・改変:藤井研究室)。テーマはマイクロ流体技術を応用して多数の反応条件を一気に計測する新手法。コンピュータによるシミュレーションと異なり、実験的に複雑な生化学反応の反応条件を検討するのは時間と手間がかかります。著者等は、マイクロ流体技術によって一気に解決するかもしれない画期的な技術を開発し、実際に「反応が進むにつれて 2 通りの安定状態をとりうる反応系」と「“捕食者”と“獲物”の関係を模した反応系」という 2 種類の反応系でデモンストレーションしました。

High-resolution mapping of bifurcations in nonlinear biochemical circuits

A. J. Genot, A. Baccouche, R. Sieskind, N. Aubert-Kato, N. Bredeche, J. F. Bartolo, V. Taly, T. Fujii and Y. Rondelez
Nature Chemistry (2016) doi:10.1038/nchem.2544

マイクロ流体技術で液滴をたくさん作る

まず課題になるのは「どうやって多数の反応条件を実験的に作り出すか」です。ここでマイクロ流体技術の登場です。

nchem2544-01

図 1:多数の反応条件を一度に解析する新手法の概要(論文の Fig.1 と Fig.S2、Movie 1 から作成)

反応に参加する各分子種を、各分子種を見積もるための蛍光プローブとともに別々のチューブに入れておきます。チューブはそれぞれ独立した流路に接続しており、それぞれのチューブに圧力をかけると、流路に向かって溶液が押し出され、合流地点で各分子種が出会って混合します。このときの各分子種の割合は各チューブにかけた圧力に応じて変化しますが、合計の流量は一定となるように調整しておきます。押し出された水溶液はオイルによって千切られて、均一なマイクロメートルサイズの液滴になっていきます。各チューブにかける圧力をいろいろ変化させることで、さまざまな混合比の液滴ができますので、あとはこの各液滴を追跡して蛍光を観察すれば、どんな比率で混合するとどのように成分が時間変化していくか知ることができるのです。

観察とマッピング:どうやって液滴を保持するか?

新しい計測の方法は、極めて直感的で分かりやすい方法ですが、そこには難しい課題があったようです。反応条件の異なる液滴を均一なサイズで多数作るだけでなく、反応の経過を観察するためには長時間液滴を固定しなければなりません。これを、表面を疎水性に処理した 2 枚のガラスの間に液滴を挟んで密閉することで、油相に分散した液滴(水相)を一層に並べて保持するという方法で解決しました。これで、顕微鏡を使った個々の液滴のトラッキングが可能になったのです。

この方法を使って約 1 万個の液滴を集め、その蛍光を測定して一つのダイアグラムにマップしていきます。各分子種の初濃度を「入力パラメータ」とみなして座標軸にとり、目的の成分の濃度を色に対応させて各液滴を座標にプロットすると、各反応条件とその結果が一目瞭然になります。

応用:分子の生態系モデル

今回の新手法は、どのような反応系の検討に使えるのでしょうか。例として、今回の論文で実証された生化学反応系のうち、「“捕食者”と“獲物”の関係を模した反応系」を挙げます。これは、著者らが 3 年前に発表した論文で紹介された反応系です。

nchem2544-02

図 2:“捕食者”と“獲物”の関係を模した反応系(論文の Fig.4 と文献 1 の Fig.1 から作成)

生態系には大きく分けて草食動物と肉食動物がいます。草食動物が草を食べて増えると、それを食べる肉食動物が増えます。肉食動物が増えるにつれて草食動物は餌にされて減っていきますが、そうすると肉食動物は餌が足りなくなって飢えるため減ります。すると今度は、草食動物がまた増えることができます。このように、生態系では個体数が振動するという現象が起こります。

化学の分野でよく知られている振動といえば、ベロウソフ・ジャボチンスキー反応(Belousov-Zhabotinsky Reaction;BZ 反応)ですね。しかし、このような低分子の反応ではなく、著者らは新たに DNA の伸長・増幅・分解反応を利用して、この生態系を真似た分子システム (molecular ecosystem) を構築しました。反応の各段階は、テンプレートを元にして DNA 鎖が伸長・複製される反応、酵素によって分解される反応という極めて単純なものです。これらを組み合わせることで、正味の反応としてそれぞれ

  1. 獲物の増殖:N (+ G) → N + N (+ G)
  2. 捕食:N + P → P + P
  3. 減衰:N, P → ∅

が完成します。これを本論文の計測系と組み合わせることで、テンプレートの濃度や反応を触媒する酵素が特定の条件を満たすときに、実際に“獲物”の濃度が振動する様子を観察することに成功しています。

まとめ

今回の新手法で、理論的には予測されていても実験的に観察するのが困難だった反応条件を、網羅的に試すことができるようになりました。今後、生体内での複雑な反応経路の解明などへの応用が期待されます。

後に、筆頭著者であるGenot博士からのコメントをいただきましたので紹介させて頂きます。

dr_genot

本研究で最も苦労したことのひとつが,液滴の観察チャンバづくりです.液滴のサイズは直径50μmですが,後の画像解析のために,液滴を24から72時間の間,ほとんど動かさないようにする必要がありました.観察チャンバは共著者のBaccouche博士が開発したのですが,数ヶ月を要しました.1日がかりで実験セットアップを完了させ,いざ液滴の観察を始めたところ,地震の影響で液滴がずれて悔しい思いをしたことも今では懐かしい思い出です。

参考文献

  1. Fujii, T. & Rondelez, Y. Predator–prey molecular ecosystems. ACS Nano 7, 27–34 (2013). doi:10.1021/nn3043572

アセトアミノフェン

投稿者の記事一覧

工学(修士);専門は応用化学・生物物理学。会社員です。

関連記事

  1. 2013年就活体験記(2)
  2. AIと融合するバイオテクノロジー|越境と共創がもたらす革新的シン…
  3. iPadで計算化学にチャレンジ:iSpartan
  4. 分子間エネルギー移動を利用して、希土類錯体の発光をコントロール!…
  5. SlideShareで見る美麗な化学プレゼンテーション
  6. マテリアルズ・インフォマティクスの基礎知識とよくある誤解
  7. 最近の金事情
  8. Delta 6.0.0 for Win & Macがリリ…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. Ru触媒で異なるアルキン同士をantiで付加させる
  2. ダンハイザー シクロペンテン合成 Danheiser Cyclopentene Synthesis
  3. クラレが防湿フィルム開発の米ベンチャー企業と戦略的パートナーシップ
  4. モノクローナル抗体を用いた人工金属酵素によるエナンチオ選択的フリーデル・クラフツ反応
  5. Aza-Cope転位 Aza-Cope Rearrangement
  6. 化学 2005年7月号
  7. たるんだ肌を若返らせる薄膜
  8. 科学:太古の海底に眠る特効薬
  9. 分子1つがレバースイッチとして働いた!
  10. 「化学の匠たち〜情熱と挑戦〜」(日本化学会春季年会市民公開講座)

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2016年10月
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

最新記事

中国へ行ってきました 西安・上海・北京編①

2015年(もう8年前ですね)、中国に講演旅行に行った際に記事を書きました(実は途中で断念し最後まで…

アゾ重合開始剤の特徴と選び方

ラジカル重合はビニルモノマーなどの重合に用いられる方法で、開始反応、成長反応、停止反応を素反応とする…

先端事例から深掘りする、マテリアルズ・インフォマティクスと計算科学の融合

開催日:2023/12/20 申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の影…

最新の電子顕微鏡法によりポリエチレン分子鎖の向きを可視化することに成功

第583回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院 工学研究科 応用化学専攻 陣内研究室の狩野見 …

\脱炭素・サーキュラーエコノミーの実現/  マイクロ波を用いたケミカルリサイクル・金属製錬プロセスのご紹介

※本セミナーは、技術者および事業担当者向けです。脱炭素化と省エネに貢献するモノづくり技術の一つと…

【書籍】女性が科学の扉を開くとき:偏見と差別に対峙した六〇年 NSF(米国国立科学財団)長官を務めた科学者が語る

概要米国の女性科学者たちは科学界のジェンダーギャップにどのように向き合い,変えてきたのか ……

【太陽ホールディングス】新卒採用情報(2025卒)

■■求める人物像■■「大きな志と好奇心を持ちまだ見ぬ価値造像のために前進できる人…

細胞代謝学術セミナー全3回 主催:同仁化学研究所

細胞代謝研究をテーマに第一線でご活躍されている先生方をお招きし、同仁化学研究所主催の学術セミナーを全…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける回帰手法の基礎

開催日:2023/12/06 申込みはこちら■開催概要マテリアルズ・インフォマティクスを…

プロトン共役電子移動を用いた半導体キャリア密度の精密制御

第582回のスポットライトリサーチは、物質・材料研究機構(NIMS) ナノアーキテクトニクス材料研究…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP