研究報告 2020（KISTEC Annual Research Report,2020）【研究開発部】
実用化実証事業「人工細胞膜システム」グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

161

グループリーダー 竹内 昌治◆ イオンチャネル機能評価システムを用いた細胞内イオンチャネルのイオン電流計測･･････････

163

三村 久敏、杉浦 広峻、山田 哲也、大崎 寿久、竹内 昌治◆ 確率論的バイオセンサの検出迅速化に関する研究････････････････････････････････････････

166

大崎 寿久、伊藤 嘉玖、神谷 厚輝、山田 哲也、三木 則尚、竹内 昌治◆ 難溶性の匂い物質検出に向けたガス導入機構開発････････････････････････････････････････

169

山田 哲也,、杉浦 広峻、三村 久敏、大崎 寿久、竹内 昌治◆ イオンチャネルの解析のための信号処理技術開発････････････････････････････････････････

173

杉浦 広峻、大崎 寿久、山田 哲也、三村 久敏、竹内 昌治◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

177

【研究開発部】人工細胞膜システム「人工細胞膜システム」グループ
グループリーダー

竹内昌治【基本構想】
膜タンパク質は細胞膜中に存在し、細胞の内外への物質輸送・排出、シグナル伝達・変換などにおいて重要な役割を果たしており、１兆ドル余り(2011年)の医薬品の世界市場において、薬剤の標的の半数以上がこれら膜タンパク質や膜表在性物質だと言われている。リガンド同定済みのGタンパク質共役型受容体(GPCR)に関するだけでも約600億ドル(2009年)に上り、リガンド未同定のGPCRをはじめ、イオンチャネル
やトランスポータなどの膜タンパク質の機能や特性を一つ一つ解明することが、基礎研究のみならず創薬・医療分野における重要な課題である。しかし細胞膜中に存在する膜タンパク質は単離が困難なため、機能解析は難しいとされてきた。
創造展開プロジェクト(2009-2012年度)では、細胞膜のモデルとなる脂質二重膜を人工的に再構成した後、精製された膜タンパク質を導入することで、その膜タンパク質の特性を低ノイズで解析する戦略にもとづ
いて研究を行い、膜タンパク質を再構成するための２つの人工脂質二重膜システムを確立した。(1)電気的計測技術に適する平面膜システムでは、ヒト由来イオンチャネルの並列同時シグナル計測に適する自動化・集積化チップ、小型化チップをそれぞれ研究・開発した。(2)光学的計測技術に適するリポソーム膜シ
ステムでは、細胞サイズリポソームの形成手法を確立し、トランスポータの輸送現象やGPCRの基質結合を蛍光により観測することに成功している。
2013年度にスタートした実用化実証事業および地域イノベーション戦略支援プログラムでは、創造展開
プロジェクトで得られた研究成果を展開し、標的膜タンパク質の生体外での創薬解析支援システムを確立すべく研究開発を行っている。具体的には、効率的膜システム要素技術の開発として、人工脂質二重膜の集積化や薬剤スクリーニングに適したデバイスとするためのシステム全体の基盤研究開発を実施し、膜タ
ンパク質の調製・導入法の開発として、イオンチャネルやGPCR、トランスポータなどを人工脂質二重膜に効率的・体系的に導入できる手法の研究開発を実施している。最終的に、大学・研究機関や製薬企業、受託試験機関などで使用できる評価法およびシステムの開発も目標としている。2015年度から参画している
NEDO事業および2018年度に開始した地域イノベーション・エコシステム形成プログラムでは、膜タンパ
ク質の機能利用による人工細胞膜センサに関わる研究開発を行っている。膜タンパク質である嗅覚受容体に代表されるように、生体のもつセンサは優れた感度・特異性をもつことが知られており、膜タンパク質をセンサ素子として活用するための研究開発を実施している。周辺技術も含め、小型・高性能センサの実用化技術の開発を目標としている。

１．

2019 年度の研究目的

実用化実証事業 7 年目となる 2019 年度は、イオンチャ

モデルとなる脂質二重膜を簡便に再現良く形成し、その膜に再構成する標的膜タンパク質の活性を保持したまま機ネル機能評価システムの開発では、事業化に向けた研究開発を推進することを目的とした。一方で、膜タンパク質を能解析を可能とするシステムである。実用化実証事業においては、これらの人工脂質二重膜デバイスを膜タンパク質利用したセンサ開発に関しては、開発を続けてきた匂いセ
ンサ要素技術を統合し、プラットフォーム基盤技術としての機能解析や創薬スクリーニングといった場面において実用的なプラットフォームとして拡張していくための要

確立することを目指した。

素技術、あるいは量産化に必要となる技術の開発を目標として研究開発を行っている。

(1) イオンチャネル機能評価システムの開発
従来、膜タンパク質の機能解析は、培養細胞を用いた電2019 年度は、創薬スクリーニングプラットフォームの事業化に向けた研究開発を推進するため、スクリーニング

気生理学的手法（パッチクランプ法）や蛍光イメージング法によって行なわれるのが一般的である。しかしながらこシステムの各部品について量産化技術の詳細な検討を行うことを目標とした。また、開発システムの実用性を評価

れらの手法では、培養中の汚染対策や個体差の均一化処理が煩雑であるほか、標的以外の雑多なタンパク質からの影するため、イオンチャネルに対する化合物の活性評価を確認する一連の実証試験を行うことを目標とした。

響が避けられず、一つの標的タンパク質に限定して機能を探ることは難しかった。

(2) 膜タンパク質を利用したセンサ開発

我々の目指す人工細胞膜プラットフォームは、細胞膜の膜タンパク質は、匂いや味などの化学量センサとしての

161

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

役割を生体内で担っており、その感度や特異性は人工的な活動として、大学院生向けの講義のほか、小中学生を対象

センサに比べ非常に高いことが知られている。こうした膜タンパク質の機能を活用することができれば、小型で高性とした理科実験室を開催し、細胞膜に関する実験や最先端研究の紹介を行った。

能のバイオセンサを実現できると考えられる。
これまでの研究成果を通じてマイクロチップ上での脂(2) 膜タンパク質を利用したセンサ開発

質二重膜の形成が再現良くできるようになり、膜タンパク
質機能の解析技術が発展したことで、膜タンパク質機能を昆虫の嗅覚受容体を用いた匂いセンサの開発については、これまでの研究成果を受け、センサプラットフォーム

利用する研究が可能となりつつある。2019 年度が最終年度となった NEDO 事業では、昆虫の嗅覚受容体を利用しとしての基盤技術の確立に注力した。特に、標的物質の濃度変化を高感度・高確度・実時間検出するための研究開発

たヒトの汗の匂いを検知するセンサの開発に取り組んできた。また、2018 年度からは人工細胞膜センサの要素技を実施した。
まず、標的匂い物質の濃度変化を観測するためのデバイ術開発を進めるため、地域イノベーション・エコシステム
形成プログラムに参画している。

ス開発を行った。匂い物質は、気中から嗅覚受容体が浸漬するバッファ溶液中に溶解しなければ検出されない。溶液

2019 年度は、標的物質を高感度・高確度で検出するための基盤技術および標的物質濃度を実時間検出するため中への溶解を迅速に効率良く行うため、嗅覚受容体が浸漬する液滴に接するように標的ガスを導入できるマイクロの要素技術開発を目的とした。

流路を配置した。このマイクロ流路に匂い物質を混合したガスを導入すると、静置条件に比べて溶解速度が格段に向2019 年度の研究成果(1) イオンチャネル機能評価システムの開発上した。また、匂い物質を含まない標準ガスを導入することで、液滴中の匂い物質を除去できることも明らかとなっ前年度、ベンチャーキャピタルであるウエルインベスト
メ ン ト社 と共 同 で JST 大 学 発 新産 業創 出プ ログ ラ ム

た。
次に、匂い物質の検出確度を向上させるため、上記デバ（START）の採択を受けた。同プログラムでは、マイクロチップ上に細胞膜を簡便・再現良く形成するコア技術を利イスの並列化を行った。脂質二重膜を形成するウェル 16個と、各ウェルにガス導入を行うマイクロ流路を対称とな用し、細胞内イオンチャネルに対する薬剤候補物質の評価技術を確立することを目標とする。細胞内イオンチャネル

るようにデバイスを設計・作製した。16 ウェル並列化に
より、1 ppm の標的匂い物質に対する 10 分以内の検出確を標的とした創薬向けの高品質なスクリーニングサービ
スの実現によってベンチャーを設立し、新たな創薬市場の率が 90%超となり、劇的に向上させることができた。
また実時間検出を実現するため、センサの信号を匂い物創出を目指している。
イオンチャネル計測チップの量産化技術に関しては、東質の濃度に変換する信号処理方法の開発を行った。センサ
信号を連続的に匂い濃度に変換するには、信号を統計物理

レエンジニアリング社と共同開発を進めている。脂質二重膜を担持する部品（セパレータ部品）について、基礎性能的なモデルに回帰させて、そのパラメータを推定していく
アルゴリズムが必要となる。そこで、拡張カルマンフィル

評価を終了した。また、チップのベース部品に関しても量産化を目的とした大量試作を行った。電極材料に関してもタのアルゴリズムに、ロジット分布を仮定したイオンチャ
ネルの応答モデルを組み込むことで、実時間で定量的な匂設計・外注試作を行った。これら部品を組み立て、量産型の試作チップを完成させた。精製したイオンチャネルを用

い物質濃度の検出方法を実現した。

いて試作チップの性能評価を実施しているところである。
計測システムに関しても、計測の全自動化を目標として、(3) 共同研究による成果
受託研究に関して、東京大学浦野泰照教授と行っている

装置試作を行った。イオンチャネルは、チップ上の脂質二重膜に再構成することで機能評価を行うが、脂質二重膜は革新的先端研究開発支援事業（CREST）では疾患特異的代謝活性の探索を、開発したデバイスを用いて腹部大動脈瘤

液滴を滴下することで形成できる。計測チップに対して液滴分注操作を行うロボットにより、脂質二重膜を再現良くの臨床検体を対象として行った。また、2018 年度より東京大学白髭克彦教授の CREST 研究である機能的人工染色形成することを目標として条件検討を行っている。また、計測チップから計測装置に接続するためのマウンタユニ体の設計と利用のための革新的研究に参画している。人工細胞核を封入したリポソームを作製するため、東京大学大ットの開発も行った。
事業化においては、イオンチャネル計測システムの実用杉研究室と共同で細胞核を形成する予備実験を開始した。

性について実証実験を行い、課題を把握する必要がある。
2019 年度は、新たな標的イオンチャネルの選定と作製か

上記のそれぞれの研究成果は、業績一覧に示す通り、国際会議・国内学会での発表、学術論文、記者発表などとしら始め、標的イオンチャネルの既知化合物を用いた基礎評
価、未知化合物を用いた活性評価の、一連の実証試験を実て積極的に公開している。

２．

施した。
成果展開として、外部研究期間との共同研究については2019 年度も継続して実施している。また、アウトリーチ

KISTEC研究報告2020（2020.8）

162

【研究開発部】人工細胞膜システム

イオンチャネル機能評価システムを用いた細胞内イオンチャネルのイオン電流計測
三村 久敏、杉浦 広峻、山田 哲也、大崎 寿久、竹内 昌治

１．はじめに
１．１

創薬ターゲットとしてのイオンチャネル(a)

イオンチャネルは全ての細胞の細胞膜と細胞小器官の膜に存在する膜タンパク質である。脂質二重膜を貫通することにより、特定の無機イオンだけを通すことが可能なイ

16chアンプ

オン選択性のある小孔を形成する。生体内においては、膜で隔てられたコンパートメント間のイオンの流出入を制御し、細胞間や細胞内において電気的なシグナルを伝える役割を果たしている。すなわち、イオンチャネルは、膜電位（膜の片側とその反対側に存在する陽イオンと陰イオンの濃度差により生じる電位）の確立と調節を行う。これにマウントユニットは、神経細胞や筋肉で電気的指令として利用される膜電位の変化（活動電位）や、感覚細胞で物理化学的刺激によっ

(b)

(c)

て電気的シグナルとして生じる膜電位の変化（受容器電位）などが含まれる。イオンチャネルは生体機能の維持に基本的な役割を果たしているだけでなく、神経疾患、心血管疾患、代謝異常疾患、免疫疾患、癌といった様々な疾病
10 mmの創薬ターゲットとしても重要であると考えられている[1]。タンパク質をコードするヒト遺伝子の数は 21,000 前

図 1（a）イオンチャネル機能評価システムの概観。人工細胞
膜チップのマウントユニット、増幅器（アンプ）、データ記録
用 PC から構成される。
（b）人工細胞膜チップをセットしたマ
ウントユニット。
（c）人工細胞膜チップ。16 のダブルウェルがあり、複数のイオン電流の同時計測が可能である。

後と推定されているが、そのうちイオンチャネルは少なく
とも 400 種以上が存在し、膜タンパク質の中では GPCR（Gprotein-coupled receptor; 約 800 個）に次いで 2 番目に大きな創薬ターゲットとなっている[2]。創薬に関連したヒト遺伝子の調査結果によると、重要な創薬ターゲットであるヒ
ト遺伝子ファミリーの 19%がイオンチャネルであり、12%てた微小ガラス管を高抵抗で密着させ、開口先端部の微小が GPCR である[3]。しかし、これらのヒト遺伝子ファミリーをターゲットとした薬剤のうち、イオンチャネルをタ膜領域に含まれるイオンチャネルをイオンが透過することで生じる電流を計測する手法である。高度な技術と経験

ーゲットとしたものは 18%にとどまり、GPCR をターゲッ
トとしたものは 33%に達する。このことは、イオンチャネを要し、通常の生化学実験を行う研究室が導入するにはハードルの高い方法である。また、スループットも低い。

ルは様々な疾病に関わる重要な創薬ターゲットとして認識されているものの、その薬剤探索は期待通りには進んでおらず、今なお困難な研究対象であることを示している。

１．２

イオンチャネル機能評価システム

これまでに当研究室では、人工平面リン脂質二重膜を利用したイオンチャネル機能評価システムを開発してきた（図 1）[4-5]。複数のイオン電流の同時計測が可能な人工
細胞膜チップとその計測システムを用いることにより、イイオンチャネルの研究が困難である理由の一つとして、その標準的活性測定法であるパッチクランプ法の実験難易度が高い点が挙げられる。この方法は、細胞膜に押し当

オンチャネルのイオン電流計測と薬剤スリーニングを効率的に行うことを目指している。人工細胞膜チップのフォーマットは、通常の生化学実験で用いられるサイズとボリ

163

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

ュームに対応し、サンプルを加えるウェルには上方からアネラの正常な機能に必須である。TRP チャネルファミリー

クセスできる。パッチクランプ法に比べて実験操作は簡便であり、通常の生化学実験を行う研究室でも容易に導入可は様々な疾患に関連しており、ヒトの TRPML1 の遺伝子の変異もまた、重篤な疾患のムコ多糖症 IV 型を引き起こ能であるほか、ウェルへの薬剤の添加など、汎用性も高い。
さらに、構造がシンプルであるので、ロボットインジェク

す[8]。これは、指定難病のライソゾーム病の一種であり、精神運動発達遅滞、視覚障害を伴う。TRPML1 はまた、同ションシステムを適用した全自動化も期待できる。

じくライソゾーム病であるニーマン・ピック病 C 型のほか[9]、アルツハイマー病への関与も示唆されている[10]。

１．３イオンチャネルを組み込むために必要となる人工平面

本研究ではまず、ヒトの TRPML1 の発現を培養細胞で行い、単離・精製を行った。次に、精製した TRPML1 を

リン脂質二重膜は、当研究室で考案された液滴接触法[6]を利用し、人工細胞膜チップ上に形成可能である。液滴接

人工細胞膜チップ上に形成した平面リン脂質二重膜に導入し、そのイオン電流を計測した。その際、TRPML1 のリ

触法では、リン脂質二重膜は 2 つの液滴の界面に形成される。リン脂質を分散した有機溶媒中に水滴を滴下し、油中

ン脂質二重膜への導入と、本システムによる薬剤スクリー
ニングへの適用を確認するため、TRPML1 の特異的活性化

水滴（液滴）を形成させると、両親媒性であるリン脂質は、リン酸を含む親水性部分を水滴に向け、脂肪酸を含む疎水剤である ML-SA1（Mucolipin synthetic agonist 1）
を添加し、その効果を確認した。

性部分を有機溶媒に向ける。これにより、有機溶媒と水滴の界面には、リン脂質が向きを揃えて並んだ単分子膜が形２．

成される。このような液滴を 2 個形成し、適切な距離で接触させることにより、液滴表面にある単分子膜の脂肪酸同

２．１

士の疎水性相互作用を通して、液滴間の界面にリン脂質二重膜が形成される。液滴接触法を利用した人工細胞膜チッ

ヒ ト の TRPML1 の 発 現 には 、 ヒ ト浮 遊性 培 養細 胞
（FreeStyle 293-F）を用いた。哺乳類発現ベクターにはプを用いることにより、貼り合わせ法やペインティング法
といった従来法に比べ、人工平面リン脂質二重膜を容易にpcDNA3.1 を用い、化学合成したヒトの TRPML1 の遺伝子を組み込んだ。アフィニティー精製に利用するため、再現性よく形成できる。

TRPML1 の N 末端に FLAG タグを付加するための配列を加えた。培養細胞は、完成した発現ベクターを用いて一過

１．４

液滴接触法

細胞内イオンチャネル

実験方法
ヒト TRPML1 チャネルの調製

前述のパッチクランプ法は、細胞膜に局在するイオンチ

性トランスフェクションを行い、一定時間培養してTRPML1 を発現させた。細胞は回収後、超音波処理または

ャネルのイオン電流計測を得意とするが、微小ガラス管を細胞内にある細胞小器官へ到達させるには高度な技術を

窒素ガス細胞破砕器を用いて粉砕し、低速遠心で未粉砕細胞や細胞核を含む沈殿を除き、細胞膜や細胞小器官の膜を要するため、これらの膜に局在する細胞内イオンチャネルのイオン電流計測は容易ではない。そのため、細胞内イオ含む膜画分を上清に回収した。膜画分には界面活性剤を加え、TRPML1 を含む膜タンパク質を可溶化し、超遠心後のンチャネルもまた重要な創薬ターゲットであるものの、イオン電流の計測を指標として薬剤スクリーニングを行う

上清に回収した。可溶化画分からの TRPML1 の精製は、
Anti-FLAG M2 アフィニティーゲルを用いて行った。可溶

ことは難しかった。細胞内イオンチャネルの薬剤探索は、細胞膜に局在するイオンチャネルほどは進んでおらず、今化画分にアフィニティーゲルを加えてインキュベートし、カラムにパックして回収した。バッファーで洗浄後、FLAG

後その需要は大きく拡大するものと考えられる。そこで本研究では、当研究室で開発されたイオンチャネル機能評価

ペプ チドを含 むバッフ ァーで TRPML1 を 溶出した。
TRPML1 は、ゲル濾過クロマトグラフィーを用いてさらにシステムについて細胞内イオンチャネルへの適用を検討した。

精製し、イオン電流計測のサンプルとした。

２．２
１．５

ヒト TRPML1 チャネルのイオン電流計測

ヒトの TRPML1 のイオン電流は、人工細胞膜チップとヒト TRPML1 チャネル

今回、イオン電流の計測対象とする細胞内イオンチャネ
ル に は 、 ヒ ト の TRPML1 （ transient receptor potential

その電気計測システムを用いて計測した。まず、人工細胞
膜チップをマウンターにセットし、リン脂質（20 mg/ml）

mucolipin 1）を選んだ。これは、ヒトでは 27 個のイオンチャネルを含む TRP チャネルファミリーに属する。これを分散したオイル（n-Decane）を 8 の字型ウェルの両方に滴下した。次に、精製した TRPML1 を希釈して加えた水らのイオンチャネルは、いずれも陽イオンチャネルであり、痛みや温度の感受、Ca2+を介した細胞応答、カルシウムや溶液を両方のウェルに滴下した。これにより、2 つの液滴間の界面にリン脂質二重膜の形成が可能となる。リン脂質

マグネシウムの恒常性維持といった役割を担い、様々な刺激や生理学的リガンドによって活性化される。TRPML1

二重膜に TRPML1 分子が導入されると、イオンチャネル
電流の計測が開始される。計測を開始してから一定時間後は分子量約 65,000 の単量体が 4 量体を形成し、Ca2+、K+、
Na+を含む多様な陽イオンを透過できる[7]。主に細胞内のに、TRPML1 の特異的活性化剤である ML-SA1 を両ウェ
ルの液滴の水溶液中に加えた。

リソソームと後期エンドソームに局在し、これらのオルガ

KISTEC研究報告2020（2020.8）

164【研究開発部】人工細胞膜システム

1 2 3 4 5 6 7 8 9ML-SA1(a)kDa

5 pA 30 s

180
130
100
70
55
40

closedopen
TRPML1

(b)
(b)

*

(c)
5 pA

1 s
closed
open

35

(c)

5 pA

1 s
closedopen

25

図 3（a）イオンチャネル機能評価システムを用いて計測した
ヒトの TRPML1 のイオン電流。TRPML1 の特異的活性化剤である ML-SA1 を計測の途中で加えている。
（b, c）（a）の（b）と（c）部分の拡大図。ML-SA1 の添加前（b）に比べ、添加後（c）
では、イオンチャネルが開いていることを示す電気信号（open）が、閉じていることを示す電気信号（closed）に比べて増えていることがわかる。

図 2 精製したヒトの TRPML1 の SDS-PAGE 解析。電気泳動後、CBB (Coomassie Brilliant Blue) でタンパク質を染色した。
1 細胞全体, 2 膜画分, 3-4 膜画分を界面活性剤で可溶化した
上清（3）と沈殿（4）, 5-9 FLAG タグ精製のフロースルー（5）,洗浄（6-8）, 溶出画分（9）。アステリスク（*） は、TRPML1の分解産物を示す。

３．

結果と考察

た。ヒト浮遊培養細胞で発現し、単離・精製した TRPML1
は、人工細胞膜チップ上に形成された平面リン脂質二重膜

本研究で調製した TRPML1 を SDS-PAGE（SDS-ポリア
クリルアミドゲル電気泳動）で分析した結果を図 2 に示す。

に導入され、特異的活性化剤 ML-SA1 によって活性化されるイオン電流が観察された。今後は、ヒトの TRPML1 の精製操作の各ステップのサンプルに含まれるタンパク質
を分子量によって分画し、色素で染色することによって検より詳細な解析を進めるとともに、解析対象とする細胞内
イオンチャネルの探索及び拡充を図ることにより、イオン

出している。バンドパターンから、TRPML1 のタンパク質を培養細胞から高純度に精製できたことがわかる。ゲル中チャネル機能評価システムの実用化並びにこれを用いた事業化に向けて検討を進めていく。

には TRPML1 のバンドが複数本見える。動物細胞で発現されたタンパク質は不均一な糖鎖修飾を受けることが多【謝辞】

く、TRPML1 もまた糖鎖修飾を受け、分子量が僅かに異なるイオンチャネルが合成されたことを示している。50 kDa

本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構 大学発
新産業創出プログラム（JPMJST1811）による支援、日本

付近に見えるバンドは、TRPML1 の分解産物である。
TRPML1 は、細胞内の消化器官であるリソソームに局在す

学術振興会 科研費基盤研究 B（17H02758）の助成を受けて行われました。ここに記して感謝申し上げます。

るため、精製の過程で一部が分解されたものが含まれることが知られている[11]。

【参考文献】

精製した TRPML1 のイオン電流を、人工細胞膜チップとその電気計測システムを用いて計測した結果を図 3 に示す。TRPML1 の特異的活性化剤である ML-SA1 を加えることにより、計測されたイオン電流が変化していることがわかる。ML-SA1 の添加前は、電気信号は closed の位置を多く占め、イオン電流の流れる頻度は低くなっている。
このとき、TRPML1 のイオン透過孔は閉じている確率が高いと考えられる。ML-SA1 の添加後は、電気信号は openの位置を多く占めるようになり、イオン電流の流れる頻度は高くなっている。このとき、TRPML1 は ML-SA1 によって活性化され、イオン透過孔は開いている確率が高くなったと考えられる。以上の結果から、観察されたイオン電

[1]
[2]

Wulff H, et al., Nat Rev Drug Discov 2019, 18, 339-357.
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[10] Zhang L, et al., Cell Physiol Biochem 2017, 43,2446-2456.

流はヒトの TRPML1 に由来するものであり、創薬スクリーニングで重要となる薬剤添加の効果も確認可能である[11] Schmiege P, et al., Nature 2017, 550, 366-370.

と考えられる。
本研究では、当研究室で開発されたイオンチャネル機能評価システムを用い、ヒトの TRPML1 をモデルタンパク
質として、細胞内イオンチャネルのイオン電流計測を行っ

165

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

確率論的バイオセンサの検出迅速化に関する研究

大崎 寿久、伊藤 嘉玖、神谷 厚輝、山田 哲也、三木 則尚、竹内 昌治

１．
１．１

はじめに
細胞膜を用いたバイオセンサ

細胞膜は、脂質二重膜と膜タンパク質から構成されており、その厚さはわずか 5 nm ほどである。脂質二重膜は細胞内外を隔てる役割を果たしている。一方、膜タンパク質は細胞内外への物質輸送や情報の伝達に関与しており、細胞の生理学的機能に対する寄与は大きい。そのため、膜タンパク質の機能評価は創薬においても不可欠になっている。そうした中で、膜タンパク質の機能を細胞外で評価するための方法として、マイクロチップ上で脂質二重膜を形成し、細胞膜を人工的に再現する人工膜法の研究開発が行われてきた。
膜タンパク質の中で、リガンド結合型のイオンチャネル
はリガンド（基質分子）の結合によりイオンチャネルを通過するイオン電流の調節を行っている。近年、このリガン
ド結合型イオンチャネルを極小のセンサとして利用する研究が注目されている。リガンド 1 分子の結合を検出する
感度、リガンド分子に対する高い特異性、リガンドの結合を毎秒 1 千万個のイオン電流に変換する高い変換・増幅効率といった優れた特長により、次世代のバイオセンサ素子への応用を期待されている[1,2]。

１．２

液滴接触法

細胞外で脂質二重膜を形成する方法は、ガラスキャピラ
リ先端に刷毛塗り法によって形成する方法、マイクロ流路中で形成する方法など、従来、多数報告がある[1,3]。
液滴接触法は、2 つの油中水滴の界面に脂質二重膜を形成する手法である。脂質を分散した油中に、水滴を滴下す
るとその表面に脂質分子の単分子膜が自発的に形成する。

図 1 並列化センサによる確率論的センサの検出時間の迅速化。
(a) 人工細胞膜センサにおいて、低濃度の標的物質の検出には時間を要するという課題がある。(b) 並列化により、検出時間やそのバラツキを抑えられると考えられる。

この水滴を 2 つ接触させることで、接触界面が脂質二重膜となる[4]。液滴滴下操作のみの単純な手順で、液滴サイズさのセンサが有する高い特異性と感度は、健康診断や環境と距離を規定することで迅速に再現良く脂質二重膜を形成できる。本方法は他の方法に比べてマイクロチップの構計測など、その場で迅速・簡便・正確に計測結果を示すことが必要な分野での応用が期待される。

造も比較的単純であり、またポンプなどの周辺機器も不要であることから小型化や携帯化、使い捨てが重要なセンサ

しかしながら、人工細胞膜を利用したセンサにおいては、検出時間が一定しないという課題がある。これは標的物質用途に適すると考えられる。

の検出において、1 分子の確率論的な現象に依存しているためである。検出過程はデジタルに 0 または 1 として捉え

１．３

上述の通り、人工細胞膜を用いたセンサは、物質に対すられる一方で、1 度の検出過程からは定量的な濃度を導く
ことはできない[5-7]。そこで本研究では、人工細胞膜センる特異的な相互作用を利用するため、標的特異性に優れる。
また、電気的な計測と組み合わせることで、標的物質 1 分

サの課題である迅速検出の課題について、並列化に関する研究を行った。

確率論的バイオセンサの課題

子の結合を検出することも可能である。分子レベルの大き

KISTEC研究報告2020（2020.8）

166

【研究開発部】人工細胞膜システム

２．
２．１

実験方法

レート上に静置し、バッファ溶液を添加した。固定プレー
トと回転プレートのマイクロ孔が一致するように、回転プレートを回転することで脂質二重膜が形成される。膜破壊

並列化のための脂質二重膜モジュール

人工細胞膜の並列化において、本研究では脂質二重膜に対して直列に 1 GΩの抵抗器を接続した。人工細胞膜センが起こった場合、回転プレートを回転することで膜の再形成を行うことができる。

サでは、膜に対して定電圧を印加し、電流変化を観測することで標的物質の検出を行う。例えばイオンチャネルやナ

本研究では、ポア形成ペプチド（pfP）を標的物質として、並列化による検出時間の迅速化について検証した。こノポアの場合、標的物質との相互作用によりイオン電流に変化が生じる。一方で、脂質二重膜が破壊されると、ピコ

こでは、pfP が形成するポアは 1 GΩの抵抗値を示す。脂質二重膜にポアが一つ形成されると、100 mV に対して 100

アンペアレベルの観測電流に比べて大電流が発生するため、計測器（増幅器）の計測可能な電流上限値を超え、観pA の電流が観測される。
図 2b は、直列抵抗器の有無による電流変化の例を示し

測ができなくなってしまう。並列化を行う場合も、膜破壊が並列化した膜の 1 つで生じると観測ができなくなるたている。抵抗器がない場合、膜の破壊によりモジュールの抵抗値はほぼゼロと見なされる。並列化デバイスにおいて、め、
膜 1 つに対して 1 つの計測器を配置する必要があった。
抵抗器を挿入することにより、脂質二重膜が破壊された場

計測器 1 つで観測する場合、電流値は各モジュールの和として表れるため、脂質二重膜のいずれか一つが破壊される

合でも電流を抑制できる。並列した場合でも、膜破壊により計測不能とならず、1 つの計測器で観測することができと電流のオーバーフローが生じる。一方で、抵抗器が挿入されている場合、電流のオーバーフローを防ぎ、観測を継る。そこで、本研究では脂質二重膜ウェルと 1 GΩの直列抵抗器を合わせてモジュール化し、これを並列化したセン

続することが可能となる。

サシステムを構築した。
本研究で使用した並列化デバイスを図 2 に示す。デバイ

３．

スは、16 個のマイクロ孔を有する回転プレートと 16 ウェ
ルの固定プレートとからなる。固定ウェルの底面には銀/

図 3a に 4ch 並列化デバイスにおける電流の観測結果を示す。100 mV の印加電圧に対して、100 pA のステップ電塩化銀電極が挿入されており、回転プレートにはグランド電極を設置した。固定ウェル側の電極には、直列して 1 G流（ii）と、50 pA のステップ電流（iii および iv）が観測された。iii および iv は、1 GΩのポア形成と 1 GΩの直列

Ωの抵抗器を配置している。ここでは、脂質二重膜モジュールを 4 つ並列化した場合と、個別に計測器に接続した場

抵抗の和（2 GΩ）による電流上昇値と一致していることから、pfP の検出を示している。一方で、ii については、合とで比較実験を行った。

膜破壊が 4ch のいずれかで生じたためと考えられる。
並列化による検出時間の迅速化について、図 3b に示す。

２．２

脂質二重膜は下記の手順で形成した。まず、固定プレー

検出時間は、脂質二重膜形成後に最初の pfP 検出までに要した時間とした。図は、30 秒までに検出できた結果につトのウェルそれぞれに 1 M KCl バッファ溶液を滴下し、その上に脂質溶液を滴下した。次に、回転プレートを固定プ

いてヒストグラムとしてまとめたものである。4ch 並列化
デバイスと、1ch デバイスの検出時間の平均値と標準偏差

ポア形成ペプチドの検出

結果と考察

図 2 (a) 並列化デバイスの分解図。(b) 脂質二重膜と直列抵抗器のモジュールを 4 つ並列化した場合の回路図。計測器では、4 つのモ
ジュールの和として電流を観測する。右図は、pfP の検出や膜破壊が 4 つのモジュールで起こった場合の、電流値の変化。直流抵抗器が挿入されている場合（ピンク）と挿入されていない場合（青）。

167

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム[3]

20170952, 2018.
L. K. Bright, C. A. Baker, M. T. Agasid, L. Ma, and C. A.
Aspinwall, “Decreased aperture surface energy enhanceselectrical, mechanical, and temporal stability of suspended
lipid membranes,” ACS Appl. Mater. Interface, vol. 5, pp.
11918–11926, 2013.

[4]

K. Funakoshi, H. Suzuki, and S. Takeuchi, “Lipid Bilayer
Formation by Contacting Monolayers in a Microfluidic
Device for Membrane Protein Analysis,” Anal. Chem.,
vol. 78, no. 24, pp. 8169–8174, 2006.

[5]

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and
A. Meller, “Electrostatic focusing of unlabelled DNA into
nanoscale pores using a salt gradient”, Nat. Nanotechnol.,vol. 5, pp. 160–165, 2010.

[6]

J. Ivica, P. T. F. Wiliamson, and M. R. R. de Planque,“Salt Gradient Modulation of MicroRNA Translocation
through a Biological Nanopore”, Anal. Chem., vol. 89, no.
17, pp. 8822–8829, 2017.

[7]concentrations using single-molecule dielectrophoretic
trapping”, Nat. Commun., vol. 7, p. 10217, 2016.

図 3 (a) 4ch 並列デバイスによる pfP 検出結果の代表例。赤矢
尻（ii～iv それぞれ）において、4 つの脂質二重膜のいずれか一つで変化が生じたことを示している。(b) pfP 検出時間に関する
ヒストグラム。1ch デバイス（青）に比べ、4ch 並列化デバイス（オレンジ）で検出時間の短縮化が実現できた。

[8]

分散についても抑制されることが分かる。並列化が pfP の検出確率を高め、限られた時間内での検出に対して有効であることが示された。
本研究では、脂質二重膜に直列抵抗器を挿入するモジュール化によって並列化デバイスを作製し、並列化による確率論的センサの迅速化に関する研究を行った。このモジュール化により、計測器のリソースを増やすことなく、迅速化を達成できることが明らかとなった。検出時間の短縮は、センサの定量性獲得にも寄与すると考えている。
【謝辞】
本研究内容の一部は、文部科学省地域イノベーション・
エコシステム形成プログラム、日本学術振興会科研費基盤
研究 B 17H02758 の助成、および国立研究開発法人新エネ
ルギー・産業技術総合開発機構 次世代人工知能・ロボット中核技術開発委託事業により行われました。ここに感謝申し上げます。
【参考文献】[1] T. Osaki and S. Takeuchi, “Artificial Cell Membrane
Systems for Biosensing Applications,” Anal. Chem., vol.
89, no. 1, pp. 216–231, 2017.
N. Misawa, T. Osaki, and S. Takeuchi, “Membrane
Protein-based Biosensors,” J. R. Soc. Interface, vol. 15,

KISTEC研究報告2020（2020.8）

F. Tomoike, T. Tonooka, T. Osaki, and S. Takeuchi,“Repetitive formation of optically-observable planar lipid
bilayers by rotating chambers on a microaperture”, Lab
Chip, vol. 16, pp. 2423–2426, 2016.

の結果を示す。並列化により検出時間は短縮化され、また[2]

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S-H.
Oh, and J. B. Edel, “Nanopore sensing at ultra-low

168【研究開発部】人工細胞膜システム

難溶性の匂い物質検出に向けたガス導入機構開発
山田 哲也、杉浦 広峻、三村 久敏、大崎 寿久、竹内 昌治

１．

はじめに

自然界に目を向けてみると生物はフェロモンといった匂いを嗅覚受容体により識別し一種の情報として検出しし処理している[1]。その匂いを検出するメカニズムは哺乳類と昆虫では異なる[2]。哺乳類においては匂い分子が嗅覚受容体と結合することで G タンパク質が活性化され、アデニル酸シクラーゼを動かし ATP を環状 AMP へと反応させる。作られた環状 AMP がイオンチャネルに作用し、細胞質へのイオン流入が起こり、脱分極化による電気シグナ
ルが脳に送られる。
上記の通り、哺乳類の匂い検知メカニズムは複数の反応過図 1. 蚊の嗅覚受容体を利用した人工細胞膜匂いセンサ。蚊は程が含まれており極めて複雑である。一方で、昆虫などの無脊椎動物の嗅覚受容機構は哺乳類の検知メカニズムと容体を人工膜に再構成させてセンサとして利用する。

汗の匂い成分であるオクテノールを検知できる。蚊の嗅覚受比べ反応プロセスが少なく、匂い分子が嗅覚受容体と結合するとそれに伴いイオンチャネルが開く仕組みになってり人工細胞膜を形成させた場合には、嗅覚受容体は 2 つのいるとされる。上記の通り、嗅覚受容体は特定の匂いに応答しイオン電流を流すゲートの役割を果たしており、工学

溶液に挟まれた状態になり、水に対して難溶性の匂い物質
は嗅覚受容体に到達するのが難しくなる。さらには、人工的な観点からは嗅覚受容体は高い感度と選択性の両方を兼ね備えた優れたセンサ素子といえる。これまで開発され細胞膜を構成するためにデカンなどの油に使用し、匂い物
質はその油に溶解してしまい、嗅覚受容体に到達するのがてきた酸化物半導体型を利用した匂いセンサと比べ、嗅覚受容体を利用するセンサは高い感度と選択性が期待され難しくなる。
上記の難溶性の匂い物質を嗅覚受容体に到達させるたており、従来の匂いセンサでは難しかった匂い診断や爆発物・麻薬検知、食品の品質管理、環境評価などの幅広い分

めのアプローチの一つとして、液滴をアガロースゲルで作った。これにより、一方の液滴に油を入れることなく人工野への応用が期待できる[1], [3]。
我々は人工細胞膜を容易に形成できる液滴接触法を基

細胞膜の形成を可能にし、残留農薬を検出することができるようになった[8]。また、多段階の匂いの濃度変化を検出盤技術とし、NEDO 次世代人工知能・ロボット中核技術開発のプロジェクトの一つとして、人検知に向けた嗅覚受容するための機構として溶液に溶けた基質を吸水性ポリマ
ーの駆動力により洗い流し溶液交換ができる機構を開発体を用いた匂いセンサの開発を進めてきた（図 1）。液滴接触法の特徴は簡便かつ再現性高くにハイスループット

した。これまでに外部ポンプを利用した溶液交換機構はすでに存在したが[9], [10]、これらの機構では外部電力が必で人工細胞膜を形成させることである[4]。汗の匂い成分の一つであるオクテノールに特異的かつ高感度に応答する要であり可搬性が低いことが問題点であった。我々は吸水性ポリマーの駆動力に着目し、液滴を駆動させることによ

嗅覚受容体を脂質二重膜に再構成させることで人工細胞
膜センサを開発してきた[5]。
ここで利用した嗅覚受容体はり小型で外部電力を必要としない溶液交換機構を実現させた[11]。

蚊（Aedes albopictus）[6]の嗅細胞で発現し、人の汗に応答することが知られている。この嗅覚受容体を合成するため

上記のようにアガロースゲルや吸水性ポリマーを利用した匂い検出機構を検討したが、多段階の匂い物質濃度をの方法は二つあり、その一つは細胞内に嗅覚受容体を発現させる方法と細胞を使わない無細胞発現系で合成する方高感度で検出することは難しかった。そこで着手したのが匂いを能動的に取り込み、液滴に送り込むためのガス導入法である[7]。
人工細胞膜を利用した匂いセンサ開発における課題は、機構である[11]（図 2）。このガス導入機構では、疎水化したマイクロスリットを配置することで、液滴を滴下したと多段階の匂い濃度変化を検出すること、そして、センサとしての感度と応答性を向上させることであった。これらのきにマイクロスリットが液滴を撥水する。これにより、マイクロスリット内にガスが通る流路が形成され、液滴近傍

課題の根底には難溶性の匂い物質をいかに効率的に液滴へ導入するかという問題があった。これは液滴接触法によに匂い物質を送り届けることが可能になる。この機構により比較的短い時間で匂い物質を嗅覚受容体に送り届ける

169

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

液滴内オクテノール濃度(μM)A) オクテノール導入
1000
800
600
400
200
0
0

50

100

150

200

液滴内オクテノール濃度(μM)

オクテノール導入量(mL)B) オクテノール脱離

図 2. 難水溶性のガスを導入するための機構を搭載した液滴接触法模式図（上）。疎水化したマイクロスリットに液滴を滴下した時の写真（下）。

ことができる。また、気液界面ではせん断力が発生し、液滴内が撹拌され、より効率的に匂い物質を嗅覚受容体に送空気導入量(mL)

り届けることができる。さらには、気液平衡を利用することで液滴に溶け込んだ匂い物質を取り出すことができ、多図 3. ガス導入機構によるオクテノールの液滴への導入及び段階の匂い濃度検出を実現できる。ここではガス導入機構と我々の基盤技術である液滴接触法を組み合わせた匂い

度の関係。B) 空気導入量と液滴内オクテノール濃度の関係。

脱離。A) オクテノールガスの導入量と液滴内オクテノール濃センサ開発について記述する。

２．

実験方法

孔を 11 個設けたセパレーターを設置し、人工細胞膜が安定的に形成できるようにした。

２．１ ガス導入機構を搭載した人工細胞膜センサ
の作製方法

２．２

我々が提案するガス導入機構の模式図を図 2 に示す。
この機構にはガスを吸引するためのインレットとガスを排出するためのアウトレットが搭載されている。インレッ

液滴を滴下し、その表面に脂質の単分子層が形成されることを利用している。このような方法で形成した単分子膜をトとアウトレットはマイクロ流路で繋がれており、その途中に液滴を載せられる疎水化したマイクロスリットが配接触させることで脂質二重膜を形成することができる。このように通常の液滴接触法では、脂質を含んだ有機溶媒の置されている。液滴部位では従来の並列化したダブルウェ
ルを使い人工細胞膜を形成できる構造となっている[12],中に 2 つの液滴を入れる。今回のガス導入機構では有機溶媒をスリットがあるウェルに滴下すると有機溶媒がスリ[13] 。マイクロスリットとマイクロ流路は厚さ 1 mm のア
クリル板に切削し、液滴を入れるダブルウェルは 3 mm のット内に侵入する。そのため、スリットがないウェルのみに脂質が分散した有機溶媒を滴下した（DOPC:DOPE =3:1

アクリル板に切削した。これら 2 つのアクリル板を熱圧着機により接合し、デバイスを組み立てた。マクロスリットの混合脂質 20 mg/ml, 溶媒はデカン）。液滴には塩化カリ
ウムを溶解させたリン酸緩衝溶液を使用し、2 つの液滴がに疎水化剤（SFCOAT）を塗布することで、液滴を撥水するようにした（図 3）。ダブルウェルの下部に銀線を差し接触すると脂質二重膜が自己組織化されて形成される。

込み、液滴が触れる電極表面に Ag/AgCl ペーストを塗布した。また、2 つの液滴が接触する界面に直径 100 μm のKISTEC研究報告2020（2020.8）

液滴接触法による人工細胞膜の形成

液滴接触法は、簡便に平面リン脂質二重膜を作製する方法であり、その原理はリン脂質を分散した有機溶媒液中に170

【研究開発部】人工細胞膜システム

３．

結果と考察

３．１ ガス導入機構を利用したオクテノールの導入とその特性評価
オクテノールガスが導入できるかを検証するために、5ppm のオクテノールガスをマイクロ流路に導入し、このとき液滴内に取り込まれたオクテノール濃度をガスクロマ
トグラフィー（島津製作所 GC-2010 Plus, 検出器は水素炎
イオン化検出器）により分析した。液滴には塩化カリウムを溶解させたリン酸緩衝溶液を利用し、脂質溶液はDOPC:DOPE=3:1 の混合脂質 20 mg/ml をデカンに溶解させ
図 4

蚊の嗅覚受容体を人工細胞膜に再構成させオクテノー

た。オクテノールはガス発生装置（パーミュエーター,
DP-1B-2）を利用し、一定濃度のオクテノールガスを発生

ルを検出。A）無細胞合成により蚊の嗅覚受容体を人工細胞膜させ、デバイス内に導入した。
オクテノールガス 100 ppm をデバイス内に導入した場

し、オクテノール由来のシグナルを検出する模式図。

に再構成させる模式図。 B）１６箇所に人工細胞膜を並列化

合に、液滴内に導入されるオクテノール濃度をプロットした結果を図 3 に示す。図 3A よりオクテノール導入量に応
じて液滴内オクテノール濃度が上昇することがわかる。さらにオクテノール導入後に、オクテノールを含まない空気のオクテノールが脱離し、嗅覚受容体とオクテノールの結合が減少したためであると推察される。
オクテノールは、ヒトの汗の成分として含まれているたを導入した場合の結果を図 3B に示す。空気導入量に対して、液滴内オクテノール濃度は減少し、液滴内のオクテノ

め、災害時等における行方不明者の探索への応用が期待できる。また、がん等の疾患と関連して呼気から検出されるールの脱離が起こったことがわかる。すなわち、この図 3よりガス導入機構により、液滴内に難溶性のオクテノール

ことが分かってきており、バイオマーカとして計測を行う
ことで健康状態の把握に利用できる可能性も示唆されてを導入し、更には空気を入れることで液滴内からオクテノールを取り除くことができることがわかった。このようにいる[17], [18]。

匂い物質を導入し、脱離できる特性は多段階の匂い濃度を識別し、繰り返し計測を行うために必要不可欠な要素であ

４．

今後の展望

る。
本研究では、疎水化したマイクロスリットにより難溶性の匂い物質を液滴に導入する機構を開発し、人工細胞膜匂３．２ ガス導入機構を搭載した並列デバイスによるオクテノールの高感度・高確率検出
人工細胞膜センサの特徴はセンサ素子となる膜タンパ

いセンサに搭載した。このガス導入機構によりこれまで難しかった連続計測や低濃度の匂い物質の検知が可能にな

ク質を数分子で導入し、一分子レベルの応答挙動を観察できることである。そのため、高い感度と選択性を実現できった。
嗅覚受容体を利用した人工細胞膜匂いセンサの特徴は、る。一分子レベルの応答は基質の低濃度領域では、離散化
し、膜タンパク質と基質の結合は確率的な挙動になる[14],小型化が可能であり、高い感度と選択性を実現できることである。そのため、可搬性を持つ高性能な匂いセンサを開[15]。そのため、短時間でかつ再現性高く匂い物質を検出するためには、人工細胞膜の並列化が最も有効かつ確実な発しロボットなどに搭載することも可能になるだろう。今後の展望としては、複数の嗅覚受容体をセンサ素子として方法となる[12], [13]。
今回開発したガス導入機構はマイクロ流路でガスを導並列化し、あらゆる匂いを検出することである。今回開発したガス導入機構は複数の嗅覚受容体をセンサ素子とし入するので、これまで我々が開発した 16 ch 並列装置に搭載できる（図 4）。オクテノールを検出するための受容体て並列化するための要素技術になるだろう。例えば人間は
約 400 種類の嗅覚受容体が存在し、複雑な匂いを数種類のは無細胞合成により作り出し、人工細胞膜に再構成させた。
その後、人工細胞膜に電圧を 60 mV 印加し、電気計測を

嗅覚受容体を利用し認識する[19]。このように複数の嗅覚受容体を並列化することで、呼気や体臭に含まれる数千種開始した。はじめに窒素ガスを導入した場合には、大きな電流値の変化は見られなかった。一方で、オクテノールガ

類もの代謝物を一度に分析することができ、ガンなどの診断に応用できるだろう。そのためには、まず嗅覚受容体ラスを導入した場合には、嗅覚受容体由来と考えられステッ
プ状の矩形が見られた。この矩形シグナルは嗅覚受容体のイブラリを構築するとともに、人工知能を活用した匂いとシグナルを結びつけるような研究が必要になると考えら

イオンチャンネルが開閉するときに流れるイオン電流由来であると考えられる[16]。オクテノール導入により矩形れる。

波シグナルが観測されたあと、窒素ガスを流すことでそのシグナルは消失した。この結果は、窒素ガスにより液滴内

171

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

[13]

【謝辞】
本研究の一部は (国研)新エネルギ・産業技術総合開発

an on-chip lipid bilayer system,” Sci. Rep., vol. 8, no.
1, p. 17498, 2018.

機構（NEDO）の委託事業 次世代人工知能・ロボット中核
技術開発委託事業、および、文部科学省 地域イノベーシ[14]ョン・エコシステム形成プログラムにより支援された。ここに感謝申し上げます。

Nanopores on a Chip,” J. Am. Chem. Soc., vol. 133, no.
22, pp. 8474–8477, 2011.
[15]

渋谷達明、外池光雄, においの受容. フレグランス
三澤宣雄、竹内昌治, “AROMA RESEARCH: Journalof aroma science technology and safety,” vol. 18, pp.

[16]

receptor ion channels,” Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 108,
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T. Hirotsu et al., “A highly accurate inclusive cancer
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[4]

Commun. Mass Spectrom., vol. 22, no. 8, pp.
1181–1186, 2008.

Anal. Chem., vol. 78, no. 24, pp. 8169–8174, 2006.

[18]

N. Misawa et al., “Construction of a Biohybrid
Odorant Sensor Using Biological Olfactory Receptors

vol. 43, no. 5, pp. 1423–1449, 2014.
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J. D. Bohbot, N. F. Durand, B. T. Vinyard, and J. C.

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open world,” Synth. Syst. Biotechnol., vol. 2, no. 1, pp.
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S. Fujii et al., “Pesticide vapor sensing using an
aptamer, nanopore, and agarose gel on a chip,” Lab
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[9]

Y. Tsuji, R. Kawano, T. Osaki, K. Kamiya, N. Miki,and S. Takeuchi, “Droplet-based lipid bilayer system
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[10]

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T. Yamada, K. Kamiya, T. Osaki, and S. Takeuchi, “A
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R. Kawano et al., “Automated Parallel Recordings ofTopologically Identified Single Ion Channels,” Sci.
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KISTEC研究報告2020（2020.8）

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Cocaine-Binding Aptamer Using Biological【参考文献】[1]

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【研究開発部】人工細胞膜システム

イオンチャネルの解析のための信号処理技術開発
人工細胞膜システムグループ
杉浦広峻、大崎寿久、山田哲也、三村久敏、竹内昌治

１．

はじめに

近年、環境中の揮発性有機化合物を、イオンチャネルのリガンド依存性を用いて計測する研究が進められている。
膜受容体の機能を示すイオンチャネルは、微量の化学種を検出する素子として機能し、生体内の反応を律する重要な要素として機能している。我々の研究グループでは、人工的に再現した細胞膜に、精製したイオンチャネルを導入し、パッチクランプ法と同様の計測をデバイス上で再現することで、イオンチャネルの機能評価や、イオンチャネルの機能を活用するセンサデバイスしての研究開発を進めて

Fig. 1 イオンチャネル解析プラットフォームの概要図．液滴
接触法で形成した脂質二重膜に，イオンチャネルを導入し，きた。この人工細胞膜を用いたセンサデバイスは、従来のパッチクランプ法によるイオンチャネルの解析では難し

検出対象の化学種の作用を電気的に評価する．

かった、システムの操作性、定量性、選択性、計測感度を総合的に達成可能であるという大きな可能性を秘めていャネルの開閉に対応した矩形波の信号が観測される。

る技術である[1]。とりわけ、極微量の標的化学物質に対する応答を観測できるという計測感度については、他のセン
サデバイスには追随できない大きな特徴であり、次世代の匂いセンサデバイスとして大きな注目を集めている[2][3]。
人工細胞膜デバイスの基盤技術には、リガンド依存性イオ
ンチャネルの精製など生化学的研究要素もさることながら、実用的な膜デバイスを開発し、現場環境で計測する技
術や、イオンチャネルの信号のみを精度良く抽出する技術、
イオンチャネルの信号をもとに、化学種を定量する技術などが重要である。

２．

イオンチャネルを IV 変換アンプで計測した信号は、計測回路に起因するノイズに加えて、様々の不要な外乱を含んでいる。これらの外乱は、イオンチャネルの信号と同程度以上の S/N 比をもっていることが多いため、単純なローパスフィルタだけでは、イオンチャネルに相当する信号を選択的に抽出することは難しい。とりわけ、イオンチャネ
ルを利用するために、冷凍状態から常温に戻した直後は、
イオンチャネルの応答は鋭敏な信号をえることができる
が、時間が経つにつれて、イオンチャネルの応答が鈍化し実験方法、結果

２．１
要

２．１ ウェーブレット変換を用いた、イオンチャ
ネルの時間軸スペクトル解析てくることが、従来研究の傾向として要られていた。適応的なフィルタアルゴリズムを利用して、これらの外乱を排イオンチャネル計測プラットフォームの概除するためには、ある時刻におけるイオンチャネルの応答を正確に計測信号から抽出することが必要である。そこで、

Fig. 1 にイオンチャネルの特性計測システムの概要を示す。計測系は、膜タンパクの足場となるアクリルウェルチ
ップと、一定の電圧を印加した、微弱な電流信号を計測す

連続時間ウェーブレット変換で、基底関数をメキシカンハ
ットウェーブレット（ガウシアンの 2 階微分）とし、変換る回路によって構成されている。アクリルウェルに、脂質を溶かした有機溶媒と KCl などを含む緩衝溶液を滴下す
ると、ウェルの隔壁の微小孔に脂質の平面膜が形成される。
ここに、精製したタンパクを再構成することで、細胞膜上の環境を人為的に再現できる。イオンチャネルの検出標的となる化合物は緩衝溶液を介して脂質膜上の膜タンパク

後の係数の実部が正であるものを抽出することで、矩形波の時系列的なスカログラム（周波数スペクトル図）を得た。
これにより、周波数ドメインでイオンチャネルに該当する信号の特性周波数を評価した。Fig. 2 に今回用いたイオン
チャネルである Orfactory-receptor-coreceptor は、蚊の嗅覚受容体に由来するものであるが、特性周波数は初期状態でに到達し、匂いの分子が検出される。電流検出回路は、IV
変換アンプ、ローパスフィルタなどで構成される。出力電

1 Hz から 10 Hz であることがわかった。また、計測を進めて時間が経つにつれて、応答の特性スペクトルは、1 Hz

圧はイオンチャネルを流れるイオン電流であり、イオンチ

173

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

Fig. 2 イオンチャネルの出力をウェーブレット変換したもの．検出初期状態において，1～10Hz に特異的なイオンチャネルのスペク
トルを確認することができる．時間が経つにつれて，波形が鈍化しても，特性スペクトルは安定して検出できる．

以下のドメインに遷移することが確認された。Wavelet 変方程式に相当するものである。イオンチャネルは、化学種換による周波数ドメインの信号検出は、時系列信号ではノイズに埋もれている信号や、信号の形状が鈍化しているもの結合状態に応じて開閉の 2 値選択的な値を出力するためには、例えば、のにたいしても適応可能であることから、イオンチャネル
をセンサ素子として利用するさいに、ロバストな検出を期

𝑦𝑦 ∗ = 𝛽𝛽0 + 𝛽𝛽1 𝑥𝑥𝑐𝑐

待する事ができる。また、イオンチャネルのノミナルの特性を評価することができるほか、スペクトルの異なる外乱

y=�

1 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑦𝑦 ∗ > 0
0 𝑂𝑂𝑂𝑂ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

(2)
(3)

信号が入った際に、その影響を明示的に可視化する事ができる。センサの研究を進める過程では、外乱となる電磁ノなる条件を満たすモデルを適応できれば良い。ここで、イ

イズ、電源ノイズや、イオンチャネルや、実験に用いる溶媒が発生させる偽信号の影響などを評価、確認することが点から考える。Fig. 3 に示すように、イオンチャネルの開オンチャネルの応答を化学ポテンシャルと反応速度の観閉状態は、ともにギブスエネルギの鞍点であり、そのポテできた。

ンシャルの差分、ならびにポテンシャル障壁から速度定数が決定されると考えられる[4]。ボルツマンの法則による

２．２ 拡張カルマンフィルタによる、イオンチャ
ネルと化学種濃度定量化と、平衡時の化学エネルギは𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
Δ𝐺𝐺= exp �−�
𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐
𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇

イオンチャネルの応答に基づくリガンドの作用濃度依存性の定量化を行うため、以下のモデルベース逐次推定ア
ルゴリズムを構築する。これは、従来のイオンチャネルのとなる。ここで、Δ𝐺𝐺はイオンチャネルのギブスエネルギ、

信号を事後解析する手法ではない、実時間逐次推定が可能

𝑘𝑘𝐵𝐵 はボルツマン定数、𝑇𝑇は温度である。従来研究から、化な方法である。逐次推定アルゴリズムとして、カルマンフ

学種の対数濃度がΔ𝐺𝐺に作用する影響が線形であると仮定

ィルタに基づく手法の構築を目指す。まず、システムのモ

すると、イオンチャネルの開確率𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 は

デル化の指針を Fig. 2 に示す。モデル化すべき要素は 2 箇

𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 =所あり、１つ目は検出対象である化学種が緩衝液に溶存平衡を維持しているモデルである。これはウィナー過程に基して、

𝑥𝑥𝑘𝑘+1 = 𝐴𝐴𝑥𝑥𝑘𝑘 + 𝑤𝑤𝑖𝑖

(5)ット分布の累積分布関数となるから、Eq.5 をあらためて𝑥𝑥𝑐𝑐̇ ]𝑇𝑇 に関ℎ(𝑥𝑥)と置くことで、観測方程式
𝑦𝑦 = ℎ(𝑥𝑥) + 𝑣𝑣𝑖𝑖

(1)

(6)

が得られる。ここで、𝑤𝑤𝑖𝑖 , 𝑣𝑣𝑖𝑖 はそれぞれプロセスノイズとなる状態方程式を構成する。もう一つは、イオンチャネル

観測ノイズであり，正規分布を仮定する。Eq. 6 は非線形が化学種を検知して出力を変化させるモデルであり、観測

KISTEC研究報告2020（2020.8）

exp{𝛽𝛽0 + 𝛽𝛽1 𝑥𝑥𝑐𝑐 }1 + exp{𝛽𝛽0 + 𝛽𝛽1 𝑥𝑥𝑐𝑐 }として与えられる。これは、Eq. (2)、 (3)を満たすロジ

づくランダムウォークモデルを利用して表現する。すなわ
ち、濃度𝑥𝑥𝑐𝑐 と変動量成分を含む状態変数x = [𝑥𝑥𝑐𝑐

(4)

174

【研究開発部】人工細胞膜システム

Fig. 3 実時間逐次濃度推定のために使用した物理モデル．

方程式であるから、動点周りで線形化を行うと
𝛽𝛽1 exp{𝛽𝛽0 + 𝛽𝛽1 𝑥𝑥𝑐𝑐 }𝐶𝐶 = �
0�
(1 + exp{𝛽𝛽0 + 𝛽𝛽1 𝑥𝑥𝑐𝑐 })2
𝑥𝑥=𝑥𝑥

(7)

𝑘𝑘

なる観測行列が得られる。以上の Eq. 1,6,7 より、拡張カFig. 4 実験に用いたオクテノール計測システム．

ルマンフィルタは以下のように構築される[5]。
・Estimation Step
𝑥𝑥𝑘𝑘+1|𝑘𝑘 = 𝐴𝐴𝑥𝑥𝑘𝑘|𝑘𝑘

(8)
(9)

𝑃𝑃𝑘𝑘+1|𝑘𝑘 = 𝐴𝐴𝑃𝑃𝑘𝑘|𝑘𝑘 𝐴𝐴𝑇𝑇 + 𝑄𝑄

・Innovation Step

𝐾𝐾𝑘𝑘 = 𝑃𝑃𝑘𝑘|𝑘𝑘−1 𝐶𝐶 𝑇𝑇 �𝐶𝐶𝑃𝑃𝑘𝑘|𝑘𝑘−1 𝐶𝐶 𝑇𝑇 + 𝑅𝑅�

−1

𝑥𝑥𝑘𝑘|𝑘𝑘 = 𝑥𝑥𝑘𝑘|𝑘𝑘−1 − 𝐾𝐾𝑘𝑘 �𝑦𝑦𝑘𝑘 − ℎ(𝑥𝑥𝑘𝑘 )�
𝑃𝑃𝑘𝑘|𝑘𝑘 = (𝐼𝐼 − 𝐾𝐾𝑘𝑘 𝐶𝐶)𝑃𝑃𝑘𝑘|𝑘𝑘−1

(10)
(11)

Fig. 5 イオンチャネルを用いたオクテノール濃度推定結果．

(12)10-5 として Eq. 14 を解くと、係数𝛽𝛽0 ,𝛽𝛽1 は-0.6236, 1.1135 と

ここで Q、R はノイズの共分散行列である。初期値には推定された。推定されたパラメータをもとに OR/Orco の開事前にサンプリングした値を用いて、𝑥𝑥0|0 = 0、 P0|0 =

確率とガス濃度の関係を同定し、この係数をもとに拡張カ

𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇 + 𝑄𝑄とした。係数𝛽𝛽0 , 𝛽𝛽1 はイオンチャネルの特性を表現

ルマンフィルタを構築し、ガスの濃度を計測した結果をするパラメータであり、イオンチャネルの種類に応じて実Fig. 5 に示す。
この実験では時間軸の 120 s の点において、験的に求める必要がある。そこで、既知の化学種濃度におデバイスに供給するガスを N2 からオクテノールに切り替

けるイオンチャネルの応答を利用して、最尤推定値を利用えた。ガスの変化をイオンチャネルが感知し開確率が変化することを考える。Eq. 5 をもとに得られる対数尤度関数ℒは、

ることがわかる。今回の実験では、オクテノールのガス検𝑛𝑛ℒ(𝛽𝛽0 , 𝛽𝛽1 )~ � 𝑦𝑦𝑖𝑖 log ℎ(𝑥𝑥𝑖𝑖 )𝑖𝑖=0

したことを利用して、オクテノール分子の検出ができてい出にはおよそ 2 分程度を要することも示された。本手法は、(13)時系列データからタンパクの特性を同定し、状態空間で信+(1 − 𝑦𝑦𝑖𝑖 ) log{1 − ℎ(𝑥𝑥𝑖𝑖 )}号をフィルタリングするため、ノイズレベルや共分散行列である。最尤推定値をあたえるとき、∂ℒ/ ∂𝛽𝛽𝑖𝑖 = 0 である
ことから、ニュートン法を利用すると、𝛽𝛽
� 0�
𝛽𝛽1 𝑘𝑘+1𝛽𝛽= � 0�
𝛽𝛽1 𝑘𝑘−1
Σ𝑦𝑦𝑖𝑖 − ℎ(𝑥𝑥𝑖𝑖 )Σ𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙(𝑥𝑥𝑖𝑖 )Σ𝑙𝑙(𝑥𝑥𝑖𝑖 )
�
+�
�
�
2
Σ𝑥𝑥𝑖𝑖 �𝑦𝑦𝑖𝑖 − ℎ(𝑥𝑥𝑖𝑖 )�
Σ𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙(𝑥𝑥𝑖𝑖 ) Σ𝑥𝑥𝑖𝑖 𝑙𝑙(𝑥𝑥𝑖𝑖 )などの直感的に設定しやすい値で、実時間計測センサとしての機能を容易に実現できる。そのため、より実用的かつ汎用的な匂いセンサの情報処理設計の指針として、今後幅広い応用が期待できる。

(14)

２．３ 高精度信号処理を実現可能な、新規人工細胞膜形成手法の実現

として、𝛽𝛽𝑖𝑖 を計算することができる。以上のアルゴリズム

イオンチャネルの信号を適切に処理する方法に加えて、を、実環境で実証した。Fig. 4 に実験系の構成を示す。サ

従来の膜タンパク解析プラットフォームのハードウェアの改善も重要になってくる。従来の脂質二重膜形成方法でンプルとなるガスは、パーミエータという飽和ガスを供給ある液滴接触法は、脂質二重膜を作製する、微細加工によって形成されたセパレータの口径をある程度の大きさする手法によって、デバイスの底面から連続的に供給された。また、リファレンスとして窒素ガスも供給できるよう（100 mm 程度）で作製する必要があった。しかしながら、膜タンパクの応答をパッチクランプと同程度の時間スケにした。まず、既知の濃度情報とイオンチャネルの応答から、モデルの係数𝛽𝛽0 ,𝛽𝛽1 を同定する。収束の絶対許容差をール（100ms オーダ）で解析するためには、脂質二重膜の

175

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

大きさは、むしろ小さくすることが望まれる。これは、電流―電圧変換を行うトランスインピーダンス・アンプのノボット中核技術開発委託事業、および文部科学省の地域イ

イズゲインの周波数特性が、脂質二重膜の静電容量に依存しているからである。

費 研究活動スタート支援（JP19K23505）により支援されノベーション・エコシステム形成プログラム、JSPS 科研
ました。ここに感謝申し上げます。

液滴接触法は、膜を保持する領域の脂質分散溶媒である
n-decane などの制御性を担保していないため、膜の大きさ【参考文献】

は実験条件による安定化が難しい。すなわち、膜の大きさ[1]を小さくしようと、セパレータの穴系を絞ると、脂質二重K. Funakoshi, H. Suzuki, and S. Takeuchi, “Lipid Bilayer
Formation by Contacting Monolayers in a Microfluidic
Device for Membrane Protein Analysis,” Anal. Chem.,

膜の中間層の溶媒が邪魔をして、真に二重膜をえることができない。この問題を解決するため、新たな膜の形成方法を提案、実証した。これは、従来脂質を含む有機溶媒をア[2]クリルウェルに直接滴下していたものを、脂質膜形成部位

vol. 78, pp. 8169–8174, 2006.
N. Misawa, S. Fujii, K. Kamiya, T. Osaki, T. Takaku, Y.
Takahashi, and S. Takeuchi, “Construction of a Biohybrid
Odorant Sensor Using Biological Olfactory Receptorsに新たに設計した、微細なスリットに脂質分散液を与え、Embedded into Bilayer Lipid Membrane on a Chip,” ACS
Sensors, vol. 4, pp. 711–716, 2019.

メニスカス力の釣り合いをうまくバランスすることで脂質二重膜を得る方法である。膜を形成するためのセパレー[3]

タは、強度、化学的安定性、表面特性を調整しながら、微細加工美術によって、硼珪酸ガラス基盤を加工することにfor Environmental Sensing with a Transmembrane
Protein,” PLOS ONE, vol. 9, e102427, 2014.

よって実現した。実際に作製したセパレータデバイスと、膜の様子を Fig. 6 に示す。この膜は、前述の通りメニスカ

R. Kawano, Y. Tsuji, K. Kamiya, T. Kodama, T. Osaki, N.
Miki, and S. Takeuchi, “A Portable Lipid Bilayer System[4]

J. Zheng and M. C. Trudeau, “Handbook of Ion Channels,”
CRC Press, 2015.

[5]

り小型の膜を作成できる可能性を秘めている。この技術にR. Schneider and C. Georgakis, “How To NOT Make theExtended Kalman Filter Fail,” Ind. Eng. Chem. Res., vol.

よって小型の膜を形成し、膜受容体機能を示すイオンチャ

52, pp. 3354–3362, 2013.

ス力によって保持され、また膜の内部の有機溶媒を、外部に強制的に排出することができる。そのため、従来手法よネルを解析できれば、安定した信号処理を実現することを見込むことができ、今後の発展が期待される。

３．

今後の展望

本研究は、イオンチャネルを用いた標的化合物検出デバ
イスに適用可能な実時間信号処理技術を開発した。本研究が更に進むと、たとえば高精度生物の機能に匹敵する嗅覚機能をロボットに付与することができる。本研究は、計測のデバイス技術と信号処理を相補的にさらに改良することで、さらなる進展を期待する事ができる。
また、本技術は、創薬スクリーニングなどの応用において、イオンチャネルの化合物に対する応答を評価する場合
においては、無数の標的化合物の種類や条件、リガンドの作用部位などの評価を実時間で効率よく実現することを可能にする。すでに我々は、この目標を達成すべく、イオ
ンチャネル解析プラットフォームのための、９６ｃｈ同時
計測システムを立ち上げた。今後、本研究の技術はマルチ
ウェル解析プラットフォームの基盤技術としても利用が見込まれる。

【謝辞】
本研究の一部は、（国研）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業である次世代人工知能・ロ

KISTEC研究報告2020（2020.8）

176

【研究開発部】人工細胞膜システム

業 績【原著論文】

Takeuchi

1. Masahide Gotanda, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki,
Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi

Artificial Cell Membrane System for Odorant Sensor:
Development of Solution Exchange Driven by

Automatic Generation System of Cell-Sized Liposomes
Sensors & Actuators: B Chemical, Vol.292, pp.57-63

Superabsorbent Polymer for Repeatable Detection
18th International Symposium on Olfaction and Electronic(2019).

Nose (ISOEN 2019)2019 年 5 月、福岡

2. Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji Takeuchi
Formation of Vesicles-in-a-Vesicle with Asymmetric Lipid

4. 竹内昌治

Components Using a Pulsed-Jet Flow Method
RSC Advances, Vol.9, pp.30071-30075 (2019).

バイオハイブリッドデバイスのすすめ
応用電子物性分科会 研究例会
2019 年 6 月、東京

3. Tetsuya Yamada, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji
TakeuchiA Pumpless Solution Exchange System for Nanopore

5. Shoji Takeuchi
Emerging Technologies for Biohybrid Machines
SELECTBIO - Lab-on-a-Chip & Microfluidics Europe

Sensors
Biomicrofluidics, Vol.13, 064104 (2019).

20192019 年 6 月、オランダ

4. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, andTaro Toyota
Hydrodynamic Accumulation of Small Molecules and Ions
into Cell-Sized
Gradient

Liposomes against

6. Yoshihisa Ito, Toshihisa Osaki, Koki Kamiya, Tetsuya
Yamada, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Quad Lipid Bilayer Module with 1-GΩ Series Resistorsa Concentration

Transducers 2019 – EUROSENSORS XXXⅢ
2019 年 6 月、ドイツ

Communications Chemistry, Vol.3, 32 (2020).
5. Saori Nonaka, Emil Salim, Koki Kamiya, Aki Hori, Firzan
Nainu, Takumi Nishiuchi, Shoji Takeuchi, Noriyuki Kodera,

7. Toshihisa Osaki

Takayuki Kuraishi
Molecular and Functional Analysis of Pore-Forming Toxin

Artificial Cell Membrane Platforms for Drug Discovery andSuper Sensors

Monalysin
fromEntomopathogenic
Pseudomonas entomophila

Leibniz Institute of Polymer Research Dresden2019 年 6 月、ドイツ

Bacterium

Frontiers in Immunology, Vol.11, 520 (2020).
8. 竹内昌治【口頭発表】

細胞や生体分子を使った"やわらかい"モノづくり「バイオハイブリッド」研究が変える医療と食の未来

1. 竹内昌治

第 8 回 First Penguin Salon
2019 年 7 月、東京

バイオハイブリッドが拓く新たな機械工学
機械工学の将来展望－イノベーション創出にむけた次の一手－2019 年 4 月、東京

9. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, and

2. Takami Maekawa, Koki Kamiya, Tooru Takahashi, Kentaro

Taro Toyota
Microfluidic Trapping and Observation of Size-Sorted

Kaji, Yukio Tezuka, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, andTakashi Kondoh

Liposomes Prepared by Water-in-Oil Emulsion Transfer
Method

TMC6：A Novel Salt Taste Receptor in Mice
AChemS XLIACS Fall 2019 National Meeting & Expo2019 年 8 月、アメリカ

2019 年 4 月、アメリカ

10. 竹内昌治"バイオハイブリッド"が拓く工学と医学の融合研究

3. Tetsuya Yamada, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Shoji

177

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム

令和元年度東京大学医学部医学科 基礎臨床社会医学

Taro Toyota

統合講義2019 年 8 月、東京

Automated Observation of Cell-Sized Liposome with
Feedback Control of Outer Environment
The 23rd International Conference on Miniaturized
Systems for Chemistry and Life Sciences (µTAS 2019)11. 竹内昌治

2019 年 10 月、スイス

バイオハイブリッドロボティクス
第 37 回日本ロボット学会学術講演会

2019 年 9 月、東京

20. Tetsuya Yamada, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji
Takeuchi

12. 杉浦広峻におい計測のための脂質二重膜デバイス技術について

Volatile Odorant Detection by Olfactory Receptors Formed
in a Lipid Bilayer Membrane

日本機械学会 情報・知能・精密機器部門 未来技術ワークショップThe 23rd International Conference on Miniaturized
Systems for Chemistry and Life Sciences (µTAS 2019)2019 年 9 月、秋田2019 年 10 月、スイス

13. 杉山博紀、大崎寿久、竹内昌治、豊田太郎
フィードバック制御環境下での細胞サイズのリポソー

21. Toshihisa Osaki
Artificial Cell Membrane

Platforms

for

Functional

ムの自動観測日本分析化学会第 68 年会

Analyses and Drug Screenings of Ion Channels
Ion Channel Modulation Symposium (ICMS) 2019 Boston

2019 年 9 月、千葉

2019 年 10 月、アメリカ

14. Shoji Takeuchi
Emerging Technologies for Biohybrid Devices
45th International
Engineering

Conference

on

Micro

22. Shoji Takeuchi
Biohybrid Micro/Nano Devices&

Nano

The Japan-US Science Forum in Boston 20192019 年 11 月、アメリカ

2019 年 9 月、ギリシャ

23. 竹内昌治
15. 瀬尾明彦、赤木大輔、保科克行、栗木優五、小松徹、
神谷真子、大崎寿久、浦野泰照

バイオハイブリッドデバイスの新展開
JACI 公益社団法人新化学技術推進協会

腹部大動脈瘤（AAA）開腹手術への応用を目的とした
蛍光ペプチターゼプローベライブラリーを用いた正常

術部会
講演会

血管の客観的評価方法
第 60 回日本脈管学会総会

2019 年 11 月、東京2019 年 10 月、東京

電子情報技マイクロナノシステムと材料・加工分科会

24. Hatsuhi Kato, Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji
Takeuchi, and Taro Toyota

16. 山田哲也、杉浦広峻、三村久敏、大崎寿久、竹内昌治
蚊の嗅覚受容体を利用した匂いセンサの開発

Observation of Self-Propelled Giant Multilamellar Vesicles
Driven by Surfactant Addition in a Microfluidic Device「細胞を創る」研究会 12.0
2019 年 10 月、松山

The Okinawa Colloids 2019（An International Conference
on Colloid & Surface Science)
2019 年 11 月、那覇

17. 神谷厚輝、大崎寿久、竹内昌治
25. 竹内昌治
Microfluidics for Biohybrid Devices

リン脂質非対称膜小胞封入リポソームによる小胞の膜融合観察

化学とマイクロ・ナノシステム学会第 40 回研究会
CHEMINAS 二十周年記念シンポジウム「細胞を創る」研究会 12.0
2019 年 10 月、松山2019 年 11 月、浜松
18. 竹内昌治
26. 杉浦広峻、山田哲也、大崎寿久、三村久敏、竹内昌治
Point-of-care 応用のための膜タンパクを用いた微小に

バイオハイブリッドが拓く異分野融合イノベーション
東レ研究本部研修会
2019 年 10 月、三島おいセンサ
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 40 回研究会
2019 年 11 月、浜松

19. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, andKISTEC研究報告2020（2020.8）

178

【研究開発部】人工細胞膜システム

Emerging Technology for Biohybrid Robotics
Smart Materials, Fabrication and Biohybrid Systems for
Robotics

27. 山田哲也、杉浦広峻、三村久敏、大崎寿久、竹内昌治
匂いセンサ開発に向けたガス導入システムの構築

2020 年 1 月、アメリカ

化学とマイクロ・ナノシステム学会第 40 回研究会
2019 年 11 月、浜松

35. Tetsuya Yamada, Hirotaka Sugiura, Hisatoshi Mimura,
Koki Kamiya, Toshihisa Osaki and Shoji Takeuchi

28. 橋本和泉、杉浦広峻、大崎寿久、山田哲也、三村久敏、
三木則尚、竹内昌治
微小バブルによる脂質二重膜の再形成

Odorant Sensor Using Olfactory Receptor Reconstituted ina Lipid Bilayer Membrane with Gas Flow System

第 10 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
2019 年 11 月、浜松

The 33rd International Conference on Micro Electro
Mechanical Systems (IEEE MEMS 2020)
2020 年 1 月、カナダ

29. 三村久敏、杉浦広峻、山田哲也、神谷厚輝、三浦重徳、
36. Izumi Hashimoto, Hirotaka Sugiura, Toshihisa Osaki,
Tetsuya Yamada, Hisatoshi Mimura, Norihisa Miki, and大崎寿久、竹内昌治
人工細胞膜システムによる細胞内イオンチャネルのス
クリーニング
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 40 回研究会

Shoji Takeuchi
Bubble-Assisted in situ Re-Formation of Artificial Bilayer

2019 年 11 月、浜松

The 33rd International Conference on Micro Electro
Mechanical Systems (IEEE MEMS 2020)
2020 年 1 月、カナダ

30. Hirotaka Sugiura, Tetsuya Yamada, Atsufumi Ozoe, Yuki
Kodama, Yasuhiko Takahashi, Toshihisa Osaki, and Shoji
Takeuchi
Quantitative Signal Analysis of a Ligand-Gated Ion

37. 竹内昌治
バイオハイブリッドが拓く新産業創出に向けて

Channel on a Lipid Bilayer Using Continuous-Time
Wavelet Transformation

MEMS SENSING & NETWORK SYSTEM 展 2020
2020 年 1 月、東京

30th 2019 International Symposium on Micro-Nano
Mechatronics and Human Science (From Micro & Nano

38. 大崎寿久

Scale Systems to Robotics & Mechatronics Systems)
2019 年 12 月、名古屋

細胞膜作製技術を利用した創薬・センサ開発
九州工業大学 生命体工学セミナー
2020 年 1 月、北九州

31. 三村久敏、杉浦広峻、山田哲也、神谷厚輝、三浦重徳、
39. 竹内昌治
バイオハイブリッド技術が拓く次世代医療デバイス

大崎寿久、竹内昌治
平面脂質二重膜を利用した細胞内イオンチャネルのス

札幌医科大学先端医学研究セミナー
2020 年 2 月、札幌

クリーニングシステム
第 42 回日本分子生物学会年会
2019 年 12 月、福岡

40. Hisatoshi Mimura, Hirotaka Sugiura, Tetsuya Yamada,
32. Shoji Takeuchi
Lipid Bilayer on a Chip for Highly Parallel Ion Channel

Koki Kamiya, Shigenori Miura, Toshihisa Osaki, Shoji
Takeuchi

Screening
SMMIL-E Workshop on BioMENS and Cancer Research in

A Planar Lipid Bilayer Array for Drug Screening of
Intracellular Ion Channels

Lille2019 年 12 月、フランス

64th Annual Meeting of the Biophysical Society
2020 年 2 月、アメリカ

33. 杉浦広峻、山田哲也、大崎寿久、三村久敏、竹内昌治
2 値選択モデルを内包する拡張カルマンフィルタを用いたイオンチャネルの実時間状態推定【記者発表、取材】
1. 大崎寿久,

第 20 回計測自動制御学会システムインテグレーショ
ン部門講演会「東大など、原始細胞のモデルが特性の分子を内部に溜め込む新現象を発見」

2019 年 12 月、高松

日本経済新聞（Web）, 2020 年 3 月 9 日

34. Shoji Takeuchi

179

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【研究開発部】人工細胞膜システム【特許】(1) 国内特許出願

2件(2) 国外特許出願

2件

KISTEC研究報告2020（2020.8）

180