マイクロホール・アレイを用いた膜タンパク質の機能計測

住友弘二 丹波之宏 樫村吉晃 田中あや
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基本構造として、微小井戸構造を人工脂質膜でシールしたマイクロホール・アレイを構築した[1]。井戸内部には、イオン濃度により蛍光強度の変化する蛍光プローブ(fluo-4)を封入してある[図1(a)]。開口部にオーバーハング形状を設けることにより、脂質二分子膜は長時間安定に保持でき、膜タンパク質の機能(イオン透過)を、蛍光強度の変化として計測することを可能にしている。α- ヘモリシンを導入した場合、脂質二分子膜内で拡散する膜タンパク質は会合することで7量体となり、ポア(イオンチャネル)を形成する。Ca2+イオンがイオンチャネルを透過し、井戸外部から内部に流入することでイオン濃度が変化し、井戸内に封入したプローブの蛍光強度が増加する[図1(b)-(d)]。多くの膜タンパク質を導入すれば、多くのイオンチャネルが形成され、蛍光強度の変化も速くなる[図2]。一方、低濃度の場合には、わずかなイオンチャネルしか形成されないため、非常に緩やかな蛍光強度の変化を示す。
 ミクロンスケールの井戸の容積は非常に小さい(1〜100フェムトL)ため、わずかなイオンの透過が、井戸内部の濃度変化を引き起こし、非常に高感度な計測を実現している。数十ions/sec/µm2のイオン透過まで計測可能であり、それは一般的な電気生理計測法で測定される電流よりもずっと小さい。外部電位も加えられていないため、より自然な状態で計測されている。さらなるSN比の改善により、単一チャネルのイオン透過計測が期待される。マイクロホール・アレイを用いた微小なイオン透過は、細胞における局所的なイオン濃度変化を模倣しており、膜タンパク質の機能計測と、それによる生体信号伝達メカニズムの解明のための有効なツールとなり得る。高感度・高スループットのバイオセンサー・アレイの実現にも期待される。

[1] K. Sumitomo et al., Biosensors and Bioelectronics 31 (2012) 445.
 

図1  (a) 井戸をシールする脂質二分子膜のモデル図、
(b)蛍光顕微鏡像(脂質膜のパッチ)、イオン透過前
(c)後(d)での蛍光プローブからの発光。
図2  α- ヘモリシンを導入した時の蛍光
強度の時間変化(導入濃度によるちがい)。

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