住友弘二 Arianna McAlliste 丹波之宏* 篠崎陽一 鳥光慶一
機能物質科学研究部 *鈴鹿高専
膜タンパク質の機能を利用したナノバイオデバイスの構築を目標として、膜タンパク質の機能発現の場を、ナノ加工を施したシリコン基板上に構築することを目指している[1]。その作製において、直径が数10ミクロンの巨大脂質膜リポソーム (GUV: Giant Unilamellar Vesicle) を用いることとした。
GUVは、そのサイズからも単純化した細胞膜モデルとしてとらえられる。GUVの脂質膜にイオンチャンネル（グラミシジンA）を導入した場合の、イオン透過の様子を蛍光強度変化で捉えた例を示す（図1）。GUV内部には、pHによって蛍光強度が変化する蛍光プローブ(pyranine)を内包している。GUV外部の環境を変化させると（pHを変化させると）、脂質膜にあるイオンチャンネルを1価の陽イオンが透過し、時間とともにGUV内部のpHが変化していることを示している。
このようなGUVを、Si基板上に形成したミクロンスケールの井戸の上で展開することにより、井戸内部に蛍光プローブを脂質二分子膜で閉じ込めた（図2）。GUVを展開した後、井戸外部の溶液を置換することで、余分な蛍光プローブは除去してある。基板支持膜パッチの外周部ではシールされない井戸(a )も見られるものの、それ以外では多くの部分で井戸がシールされ、内部に閉じ込められたプローブからの蛍光が観察されている(b )。井戸の開口部にオーバーハング形状を設けることで、効率よく、また安定に脂質二分子膜で井戸をシールすることを可能にしている。井戸に閉じ込められたプローブからの蛍光は、1時間以上の間変化することがなく、流出することなく安定に存在することが確認されている。薬液投入により、井戸外部の環境変化（pH変化）により図1に示すのと同じような、イオン透過に伴う蛍光イオン強度の変化を観測した。井戸内外の間における水素イオンの濃度勾配は、イオンチャンネルを通したイオン透過を引き起こし、井戸内部のpHが変化する。シリコン基板上に、膜タンパク質の機能測定に有効な井戸が形成されていることを示している。
今後、微小電極を組み込むことにより、イオン透過を蛍光強度変化とイオン透過電流の両方で解析を行う。さらには、オン−オフを膜タンパク質で制御するようなデバイスの構築へと進めていく。
[1] Y. Shinozaki et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 027002.
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