立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

昆虫嗅覚受容体を発現する培養細胞と電界効果トランジスタを融合した匂いセンサの開発
FET- based bio- hybrid odorant sensor using insect cells expressing insect odorant receptors
2167006

研究代表者

東京大学センター

先端科学技術研究特任研究員

照月

大悟(助成受領時：東京大学大学院 工学系研究科 先端学際工学専攻)[研 究 の 目 的］
近年，セキュリティ分野やヘルスケア分野において，高感度に様々な匂い物質をリアルタイムで検出する技術へのニーズが急速に高まっている。工学技術に基づく匂いセンサの開発が進められているが，その検出感度や選択性など改善すべき点は多い [Arshak et al., 2004]。一方
で，生体の嗅覚系を利用したセンサ技術が進展し，昆虫の優れた嗅覚機能を利用した匂いセンサに注目が集まっている。昆虫の嗅覚機能は，嗅覚受容体 (Odorant receptor : OR) と呼ばれる膜タンパク質が担っている。昆虫嗅覚受容体は哺乳類のそれとは異なり，非選択的に陽イオ

図1

センサ細胞の模式図

ン (Na , Ca など) を透過するイオンチャネ+2+ル型受容体として機能し [Sato et al., 2008]，

容体は，匂い応答時に細胞内へ陽イオンを流入匂い物質の結合から数 10 ミリ秒もの速さで陽させることを述べたが，これは電気的変化が生イオンを透過する。これらの機能を昆虫由来のじていることを意味する。そこで本研究では，培養細胞 (Sf21 細胞) に再構築した「センサセンサ細胞と電界効果トランジスタ (Field-細胞」(図 1) は，高性能な匂いセンサ素子開effect transistor : FET) デバイスを融合し，セ発にとって有望である [Mitsuno et al., 2015]。

ンサ細胞の匂い応答を電気的に検出可能な

しかし，現在のセンサ細胞の匂い応答検出はカFET ベースのバイオハイブリッド匂いセンサ

ルシウムインジケータ (GCaMP6s) を用いたの開発を目的とした。

光学イメージングであり，昆虫嗅覚受容体が本[研究の内容，成果］来持つ高感度性やリアルタイム性を十分に活用していない。また，計測には大型の蛍光顕微鏡が必要であり，センサの実用化の際に小型化が1．FET デバイスの設計課題となる。センサ細胞に発現した昆虫嗅覚受― 1 ―本研究では，「センサ細胞を容易に検出部に立石科学技術振興財団

容 体 で あ る Or13a を 発 現 さ せ た セ ン サ 細 胞(Or13a 発現細胞) を使用した。匂い物質は難水溶性であるため，有機溶媒であるジメチルスルホキシド (Dimethyl sulfoxide : DMSO) に溶解した。BmOR3 発現細胞を刺激する匂い物質に は，受 容 体 が 応 答 す る フ ェ ロ モ ン で あ る
BAL と応答しないフェロモンであるボンビコール (Bombykol : BOL) を使用した。Or13a発現細胞に対しては，BAL と 1-octen-3-ol を図2設計した伸長ゲート型 FET デバイス

使 用 し た。匂 い 刺 激 の 際 に は，ペ リ ス タ ル
ティックポンプを用いて 1 % 以下の DMSO を播種可能であり，嗅覚受容体の微小な匂い応答含有するアッセイバッファ溶液を流量約 140を電気的に検出可能」である FET デバイスのμl/min で潅流した。各匂い物質の刺激時間は設計を行った。センサ細胞は神経軸索で見られ約 120 秒である。液中で FET を駆動させるたるアクションポテンシャルを発生しないため，

め，市販の Ag/AgCl 参照電極を用いてゲート

昆虫嗅覚受容体由来の微小な電気信号を検出す電圧を印加し，ソースメジャーユニットを用いる必要性が想定された。また，応答検出のためて応答検出を行った。にはセンサ細胞を検出部に適切に播種する必要がある。そこで，複数のセンサ細胞が播種可能

3．電気計測結果

な伸長ゲート型 FET を設計した。また，FET

BmOR3 発現細胞に対して，アッセイバッベースのバイオセンサでは，電流検出型の方がファ溶液 (DMSO< 1 %，コントロール)⇒ 30

感度に優れると言われているため，FET のドμM BOL ⇒ 30 μM BAL の順番に匂い刺激を実レイン電流の変化を検出する方式を採用した。

施した。

設計した伸長ゲート型 FET の写真を図 2 に示結果として，30 μM BOL の刺激ではドレイす。伸長ゲート電極のサイズは 100×100 μm

2ン電流の変化は検出されず，30 μM BAL の刺であり，表面にはアルミナ (Al 2 O 3) をスパッ激によってドレイン電流の上昇を検出した (図タリングした。FET のゲートサイズは長さ 23)。次に，Or13a 発現細胞に対して，アッセイμm，幅 5 μm である。伸長ゲート型 FET を使

バッファ溶液 (DMSO< 1 %，コントロール)用することで，複数のセンサ細胞から信号を検⇒ 30 μM BAL ⇒ 30 μM 1-octen-3-ol の順番に出できるため，信号強度の増大が期待でき，自匂い刺激を実施した。その結果，BAL では変然接着によっても確実に細胞が播種可能となる。

化がなく，1-octen-3-ol の刺激によってドレイン電流の上昇を検出した (図 4)。この結果は，2．FET デバイスを用いたセンサ細胞の応答検

先行研究の蛍光顕微鏡を用いたカルシウムイ

出設計した FET デバイスによる応答検出には，カイコガの性フェロモンの 1 つであるボンビ カ ー ル (Bombykal : BAL) を 検 出 可 能 な
BmOR3 を発現させたセンサ細胞 (BmOR3 発現細胞) と，カビ臭の 1 つである 1-octen-3-olを検出可能なキイロショウジョウバエの嗅覚受

図 3 BmOR3 発現細胞の応答検出結果[3] より修正して使用。

― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図4Or13a 発現細胞の応答検出結果[3] より修正して使用。

図5

メージングの選択性と一致しており，センサ細胞の匂い応答を FET デバイスによって電気的

Al 2 O 3 伸長ゲート電極上に接着した BmOR3 発現細胞の鳥瞰 SEM 写真[1] より修正して使用。

サを提案する。OSFET の模式図を図 6 に示す。に検出することに成功した。

OSFET は，センサ細胞と FET を電気的に結合した検出部を持ち，この検出部で細胞内電荷4．デバイス上のセンサ細胞観察
接着状態の Sf21 細胞の観察はほとんど実施の変化を検出し，FET により電流に置換するされていないため，伸長ゲート電極上に接着しデバイスである。OSFET は，センサ細胞の匂たセンサ細胞を走査型電子顕微鏡 (Scanning

い応答を FET のドレイン電流変化として検出Electron Microscope : SEM) によって観察し，可能である。

その接着状態の解明を試みた。まず，センサ細胞の鳥瞰的観察を実施し，BmOR3 発現細胞が6．まとめ伸長ゲート電極上に形状変化などを起こさずに本研究では，昆虫嗅覚受容体を発現した昆虫接着していることを確認した (図 5)。次に，由来の培養細胞 (センサ細胞) の匂い応答を電クロスセクションポリッシャによって高精度な気的に検出する伸長ゲート型 FET デバイスをセンサ細胞−デバイス接着界面の断面試料を作設計した。応答検出結果は過去の蛍光計測の選成し，SEM 観察と画像分析を実施した。その択性と一致することを確認し，確立した匂いセ結果，同一電極上に接着した 2 つの BmOR3 発ンサは OSFET として提案した。また，センサ現細胞と Al 2O 3膜の接着距離は 10.3±0.5 nm で細胞とデバイス間の接着界面を SEM 観察と画あった。通常細胞は focal adhesion (接着斑)像分析によって明らかにした。この分析より，によって基板と接着することが知られており昆虫嗅覚受容体を発現した Sf21 細胞は，他種[Burridge et al., 1988]，10-100 nm 程度の隙間の細胞で報告されている focal adhesion とは異が細胞とデバイスの間に存在する [Wrobel etなるメカニズムで電極上に接着し，電気計測にal., 2008]。一方で，センサ細胞の接着距離は先有利な短距離での密着が可能であることが示唆

行研究で報告された他種の細胞より明確に短く，された。

センサ細胞に用いる Sf21 細胞は電気計測に有利な電極への密着が可能であることが示唆された。
5．Odor-Sensitive Field Effect Transistor(OSFET)本 研 究 の 検 出 結 果 よ り，Odor-Sensitive
Field Effect Transistor (OSFET, オ ス フ ェ ット) という新しいバイオハイブリッド匂いセン
― 3 ―

図6

OSFET の模式図

立石科学技術振興財団[今後の研究の方向，課題］

Systems (MEMS 2017), Las Vegas, NV, USA, pp.
394-397, 22-26 January 2017.

エレクトロニクスをベースとするバイオセン

国内学会・シンポジウム[ 4 ] 照月大悟，“昆虫嗅覚受容体を用いた細胞-FET

サ技術では，デバイスの検出信頼性が常に議論

ハイブリッド匂いセンサの開発”，2017 国立大学の対象となっている。今後は，OSFET の検出フェスタ，微細加工・微細構造解析プラットフォー

信頼性を向上させるため，インターフェースの最適化を実施する必要がある。具体的には，現時点で明確になっていない，センサ細胞の応答が FET に伝達するメカニズムの解明と，細胞とデバイスの適切な接着条件・細胞数の検討を行うことが挙げられる。

ム公開セミナー，東京，2017 年 11 月．(招待講演)[ 5 ] 照月大悟，“Extended-gate ISFET と昆虫嗅覚
受 容 体 発 現 細 胞 を 融 合 し た 匂 い バ イ オ セ ン サ”，
VDEC デザイナーズフォーラム，福岡，2017 年 9月．
[ 6 ] 照 月 大 悟，光 野 秀 文，岡 本 有 貴，櫻 井 健 志，
ティクシェ三田アニエス，年吉洋，三田吉郎，神崎亮平，“An ISFET-based bio-hybrid odorant sensor
using[成果の発表，論文等］

cells

expressing

insectodorantム (BIO UT)，東京，2017 年 4 月．
特許

論文
[1]

insectreceptors”, 第 17 回 東京大学生命科学シンポジウ

Daigo Terutsuki, Hidefumi Mitsuno, Takeshi[7]

神 崎 亮 平，光 野 秀 文，照 月 大 悟，櫻 井 健 志，

Sakurai, Yuki Okamoto, Agnès Tixier-Mita, Hiroshi

ティクシェ三田アニエス，三田吉郎，年吉洋，岡本Toshiyoshi, Yoshio Mita, and Ryohei Kanzaki,有 貴，“匂 い セ ン サ，”PCT 出 願 PCT/JP2018/“Increasing cell-device adherence using cultured001284，出願日 2018 年 1 月 17 日．

insect cells for receptor-based biosensors”, R. Soc.

吉 洋，
“匂 い セ ン サ，”特 願 2017-080896，出 願 日

国際学会
[2]

[ 8 ] 照 月 大 悟，神 崎 亮 平，光 野 秀 文，櫻 井 健 志，ティクシェ三田アニエス，三田吉郎，岡本有貴，年

open sci., 5, 172366, 2018.
Daigo Terutsuki, Hidefumi Mitsuno, Takeshi

2017 年 4 月 14 日．

Sakurai, Yuki Okamoto, Agnès Tixier-Mita, Hiroshi

受賞

Toshiyoshi, Yoshio Mita, and Ryohei Kanzaki,[ 9 ] 第 32 回「独創性を拓く 先端技術大賞」文部科“Cell-sensor interface analysis of a bio-hybrid

学大臣賞 (学生部門最優秀賞)，昆虫テクノロジー

electric odorant sensor,” in Biosensors 2018, Miami,と工学の融合が拓くリビングデバイス―昆虫臭覚受Florida, USA, 12-15 June 2018.

容体発現細胞と FET を融合したバイオハイブリッ[3]Daigo Terutsuki, Hidefumi Mitsuno, Yuki

Okamoto, Takeshi Sakurai, Agnes Tixier-Mita,
Hiroshi Toshiyoshi, Yoshio Mita, and Ryohei
Kanzaki, “Odor-sensitive field effect transistor(OSFET) based on insect cells expressing insect
odorant receptors,” in Proc. 30th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical― 4 ―ド匂いセンサ―，フジサンケイビジネスアイ，2018
年 7 月 11 日．
[10] VDEC デザインアワード嘱望賞，VDEC デザイ
ナーズフォーラム，2017．
[11] IEEE MEMS Student Travel Grant, Transducer
Research Foundation, USA, 2017.