[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
Avatar photo

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. 解毒薬のはなし その2 化学兵器系-2
  2. 2013年ケムステ人気記事ランキング
  3. 2026年、過去最大規模の「有機溶媒危機」が始まった?
  4. 開発者に聞く!試薬の使い方セミナー2026 主催: 同仁化学研究…
  5. 実験白衣を10種類試してみた
  6. 【8/31まで!!】マテリアルズ・インフォマティクスの基礎から実…
  7. Carl Boschの人生 その3
  8. 有機化学系ラボで役に立つ定番グッズ?100均から簡単DIYまで

注目情報

ピックアップ記事

  1. ベンゼン環をつないで 8 員環をつくる! 【夢の三次元ナノカーボンの創製に向けて】
  2. ティム・ジャミソン Timothy F. Jamison
  3. アルバート・コットン Frank Albert Cotton
  4. シュミット転位 Schmidt Rearrangement
  5. 第99回日本化学会年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part II
  6. 中学入試における化学を調べてみた 2013
  7. 化学反応のクックパッド!? MethodsNow
  8. 化学コミュニケーション賞2023、候補者募集中!
  9. 半導体・リチウムイオン電池にも!マイクロ波がもたらすプロセス改善
  10. 非専門家でもデザインはできる!「ノンデザイナーズ・デザインブック」

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

“とび跳ねる水滴”に潜む物理 〜接触時間とエネルギー源で読む撥水・防氷のテク〜

熱したフライパンに落ちた水滴が、玉になってコロコロと走り回り、冷えた面では、結露水が合体した瞬間に跳…

AI時代に研究者がすでに持っている力・これから伸ばしたい力

論文要約や文献検索など、研究現場でもAI活用が日常化する一方、「自分の仕事の先行き」に漠然とした不安…

miHub®を活用した探索的データ解析の実践

開催概要研究開発においてデータ活用が進む中、機械学習モデルの構築や予測解析に…

“ある特効薬”のはなし ~本田宗一郎氏の回想から

Tshozoです。最近実家に戻っては色々と廃棄するなどの店じまいを少しずつ進めているのですが、中…

高分子鎖を束ねた新しい共重合体「束状共重合体」が誕生

第715回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院 工学系研究科(植村研究室)に所属されていた亀谷…

2026年「有機溶媒危機」へのアンサー。北大発・メカノクロスが挑む、溶媒に依存しない新たな合成法 = “メカノケミカル有機合成”の社会実装

株式会社メカノクロスは、メカノケミカル有機合成技術の社会実装に挑む北海道大学発の…

“壊れないよう” に作ってきた半導体ポリマーを、あえて “壊れるよう” に作る化学

半導体ポリマーは長いあいだ、「いかに壊れにくく、長持ちさせるか」といったような安定性を競って進歩して…

有機合成化学協会誌2026年7月号:固体高分子電解質・電子ドナー・アクセプター錯体・機械学習法・trichodermamide類・エナンチオ選択的スキップジエン合成法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年7月号がオンラインで公開されています。…

第62回Vシンポ「見えない空気を科学する~センサによる室内環境・臭気の見える化と快適空間デザインの最前線~」を開催します!

こんにちは、Macyです。第62回Vシンポのご案内をさせていただきます。今回は、前回同様…

【協和ファーマケミカル】新卒採用情報(2028年卒)

協和ファーマケミカルが求めているのは、有機合成の知識や実験経験を身につけ、活かし…

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