北海道大学電子科学研究所 生体分子デバイス研究分野

研究目標

生物は高度な分子認識とそれによって組織化された分子集合体システムを駆使して、効率の良いエネルギー変換や物質生産、情報変換を達成している。本研究分野ではこのような生物の持つ機能とナノテクノロジーとを融合することで新規な分析手法の開発、分子素子や機能性材料の構築を目指して2方向から研究を行っている。

一つは分析手法や分子素子の開発のために、生命活動の中心にあるDNA分子に着目したものである。DNAの持つ分子メモリー機能、分子認識、自己会合性を利用することで分子配列を塩基配列情報で制御し、一分子のDNAの塩基配列を位置情報に変換するシステム構築やDNA分子の情報を転写した分子ナノ組織体の構築を行っている。

またもう一つの研究は、タンパク質の自己集合性とタンパク質表面に存在する糖鎖認識部位を利用することにより新しい超分子構造体を作製し、機能性ナノ材料や細胞センシング材料の開発を目指している。これらの研究を通じてナノテクノロジーとバイオテクノロジーの融合研究による新展開を目指している。

研究テーマ

細胞にダメージを与えない細胞培養・剥離技術の開発

細胞移植や組織移植による再生医療では、効率のよい細胞培養法や組織培養法の開発が求められている。これまでの細胞培養では、増殖した細胞を培養基材から剥離するためにトリプシンが用いられてきた。トリプシンはタンパク質分解酵素であるので、接着性のタンパク質を分解することにより細胞を剥離できるが、同時に細胞表層のタンパク質も分解してしまい、細胞自身を傷つけてしまうことが知られている。細胞種によっては継代時の生存率が著しく低くなる場合もあり、培養細胞を効率よく得るためには、生存率の高い細胞剥離技術の開発が求められている。そこで、DNA ブラシを固定化した基材上で細胞を培養し、ヌクレアーゼ (DNase) によって DNA を分解することで、細胞を剥離する手法を開発した (図 1)。ストレプトアビジンをコートした基材にビオチン化 DNA を固定した。これをポリメラーゼで伸長することで DNA ブラシを作製した。この表面で HeLa および NIH3T3 細胞を培養したところ、接着性、増殖性は通常の細胞基材とほぼ同等であった。これに DNase を添加すると、細胞はシート状もしくは塊として剥離し、細胞を無傷で回収できることがわかった。これによりトリプシン処理に弱い細胞の培養・回収が可能となった。

図1.DNA ブラシ上での細胞培養と剥離の模式図およびDNAブラシ上で培養したHeLa細胞(a)とDNaseで剥離・再播種後の細胞の顕微鏡写真

フッ素化エチレングリコール被覆金ナノ粒子のカプセル状自己組織化

機能性金属ナノ粒子集合体の作製法としてナノ粒子の自己組織化が、低コスト・高機能を同時に実現するための手法として期待されている。特に溶液中におけるナノ粒子の自己組織化は、薬剤輸送・光反応場・表面増強ラマン(SERS)など新しい応用につながる手法として期待されている。溶液中で金ナノ粒子を自己組織化によってカプセル状に集合化させる手法は過去にいくつか報告例がある。それらの多くは疎水性高分子と親水性高分子を同時にナノ粒子に提示させることで自己集合を誘起する。この場合カプセル状の集合体のサイズは数百ナノメートルからミクロンスケールのサイズとなる。さらに高分子で粒子を被覆しているため粒子間距離が開いてしまい、プラズモン共鳴などの機能を発揮しにくい。我々はフッ素化エチレングリコールで金ナノ粒子を被覆するとテトラヒドロフラン(THF)中で金ナノ粒子がカプセル状に自己集合することを見いだした(図2)。今までに報告されてきたカプセルとの大きな違いは低分子被覆剤なので粒子間の距離が数ナノと狭く、さらにカプセル集合体の大きさも60nm程度と非常に小さい点にある。すなわち薬剤輸送やプラズモンなど様々な応用に展開できる。THF中で形成されたナノ粒子カプセルは他の有機溶媒(例えばメタノールやクロロホルム)に再分散させても形状を維持している。メカニズムの詳細はまだ不明であるが、表面分子のフッ素部位が有機溶媒中で会合体を作りやすく、これらの表面分子間の相互作用によって粒子集合体が形成されていると考えている。

図2.フッ素化オリゴエチレングリコールを含む表面リガンド分子の構造と金ナノ粒子の自己組織化

作製した粒子集合体の応用例としてSERS測定を行った。ラマン分光は通常感度が悪いため、濃度の低い色素の溶液では分子由来のシグナルは観測されないが、金ナノ粒子集合カプセル存在下では強いシグナル(約900倍)が観察された。さらに金ナノ粒子単体でもシグナルは観察されないため金ナノ粒子が集合することでラマンシグナルが増強されており、これらはナノ粒子集合体が溶液中でのラマンセンシングに利用できることを明らかにできた。

ウイルスカプセルを用いた薬剤輸送キャリアーの開発

薬剤輸送において、細胞への導入効率が高く、細胞内で薬剤を選択的に放出するキャリアーの開発は重要な課題である。ウイルスタンパク質が自己集合してできるウイルスカプセルは内部空間に薬剤を格納でき、ウイルスと同様の経路で細胞に取り込まれる。しかし、これまでの研究の多くは、薬剤を内包させることに着眼しており、刺激に応答した薬剤の徐放機構を持せた例はほとんどない。そこで今回、動物細胞に導入可能な JC ウイルスカプセルに対し、ジスルフィド結合で薬剤モデル分子を修飾することで、細胞内のグルタチオン (GSH) 濃度に応じた分子放出を目的とした (図3)。低分子薬剤をシクロデキストリン(CD)に内包し、CDを介して薬剤モデル色素や薬剤をウイルスカプセルに内包した。JC ウイルスカプセルはシステイン残基をウイルスカプセルの内側にのみ提示しているためこの方法で薬剤を内包できる。

グルタチオン存在下で実際にジスルフィド結合が解離し、色素が放出されるかどうかを蛍光相関分光法 (FCS) によって評価した(北大先端生命・金城教授との共同研究)。細胞内の濃度に近い1 mM のグルタチオンを添加すると 約 1 時間ほどかけて内部の薬剤が放出されていることがわかった。さらに共焦点顕微鏡および細胞毒性のアッセイから細胞内で薬剤放出していることを確認できた(図3b)。

 図3.(a) グルタチオン(細胞内に高濃度で存在するペプチド)に応答して薬剤放出できるウイルスカプセル  (b) NIH3T3細胞に添加後の共焦点画像。 緑:ウイルスカプセル、赤:CDに内包した薬剤モデル化合物(色素)

ナノAuパターンハイドロゲルによる光学素子の開発

ウエット&フレキシブルマテリアルであるハイドロゲルは、外部刺激や環境情報に応答し体積変形を示す機能性材料として注目されている。この体積変形は、生物様のしなやかで柔らかい動きをするアクチュエーター素子等への応用が期待されている。マイクロデバイスにおいても、このような変形能力を持った材料は、新規なMEMS、NEMS素子等へ応用が期待される。しかし、その含水性、柔軟性のためデバイス作製のために既存のトップダウン的な加工法が適用できず、その発展を遅らせてきた。

本研究では、図4に示す、トップダウンにより固体Si基板上に作製したナノ構造パターンを、ハイドロゲルの重合と同時に転写貼付を行う方法を開発した。転写を行うナノ構造パターンの作製には電子線リソグラフィによるレジストパターンを利用してAu薄膜のリフトオフを行っているので、ナノメートルスケールでの微細パターンの設計と作製が容易にできる。

図4.ゲル微細加工のための貼付転写プロセス

実際に、光干渉性のナノ構造素子を作製するために、可視光領域の400~800nmの周期構造を持たせたAuドット周期配列パターンをハイドロゲル上に作製した。この素子では、ハイドロゲルでは膨潤・収縮によりAuドットの周期を連続的に変えることができるので、その結果、構造発色を連続的に変調できる機能を示すことができた(図5)。

図5. ゲル上のAuドット周期構造の変化による発色の変調

 今後の研究の展望・将来計画

近年バイオ分子のもつ高い自己組織化能を駆使することにより、ナノスケールで構築されている複雑な構造体を、より簡便に作り出す技術が注目されている。我々は生物あるいは生体分子を鋳型とすることで、電子デバイス・光学素子・医療素子などへと展開してきた。今後は我々の構築したナノ材料の機能をさらに検証し、階層性を有する生体分子ならでは構造を転写した機能を追求していく。