バイオセンシング

バイオミメティックセンサによって検出が高速化する
米マサチューセッツ工科大（ Massa-

研究チームは、生きた細胞ではなく、膜レセプタ（およびその他の膜タンパク

chusetts Institute of Technology：レセプタのリガンド結合部だけを使っ質）を、安定性や構造そして生物学的MIT ）マイクロシステム研究所の研究たバイオミメティック・システムをセン機能を維持したまま水溶性レセプタの者は、オーストリアの天然資源・生命科サデバイスとして設計している。レセアナログに変換するよう設計している。

学大（University of Natural Resources

プタは特定のリガンドと結合すると構合成バイオアーキテクチュア研究所

and Life Sciences：BOKU ）の合成バイ造が変化すると、チャン氏は説明する。の名誉教授であるユーヴェ・スレイタ

オアーキテクチュア研究所のチームととこのような変化は、特にグラフェンベ氏（ Uwe Sleytr ）によると、この水溶もに、私たちの身体に生まれつき備わースの電気デバイスでは非常に感度の性レセプタのアナログは、アミノ酸鎖っている感覚システムをモデルにした高い電気的手段で検出できる。の終端である C 末端にプロテイン A/Gセンサのプロトタイプを開発している。
自然界に存在する細胞受容体のターゲが強く結合できる Fc（結晶化可能フラセンシングの三冠王グメント）ドメインを持つようにバイ新しいプロトタイプのデバイス（図 2 ）オエンジニアリングされているという。

ことを目指す。

は、デザインされた水溶性レセプタのプロテイン A/G は組換え融合タンパク「自然界にある細胞表面の膜にアン類似物（アナログ）、S 層タンパク質、グ質で、プロテイン A やプロテイン G がカーされている受容体（レセプタ）の性ラフェンベースの電界効果トランジスタ持つ免疫グロブリン G 抗体（ IgG ）ドメ質から着想を得ている。このレセプタという3 つのコンポーネントを組み合わインを融合したものである。

は細胞膜に埋め込まれており、ノイズせたものだ。

ットと同じ分子を検出して識別できる

センシングデバイスのコンポーネン

対シグナルの中から単一ターゲットの水溶性レセプタのアナログのモデリン

トの 1 つである S 層タンパク質は細菌シグナルを検出する。感度と特異度のグには QTYコードという設計手法が用が持つ表面タンパク質の一種で、表面両方が優れている」と話すのは、MITいられている。QTYコードとは、本来に自己集合して 2 次元結晶格子を形成メディアラボの主任研究員であるシュ水に溶けない膜タンパク質を、組成やする。S 層タンパク質はグラフェンなーグアン・ チャン氏（ Shuguang Zha

機能を維持したまま水に溶けるようなどの導電性表面に集まっており、電気ng ）だ。チャン氏は現在、生体分子の変異体に変換することである。MIT 主計測の基礎として機能する。

設計に研究の焦点を当てている（図1）。

導の研究チームは、本来不溶性の細胞プロトタイプのセンサ用に設計された電界効果トランジスタはグラフェン

図１ MIT と天然資源・生命科学大の研究者らが開発したセンサは、すべての細胞を包んでいる膜から着想を得ている。いつの日か、診断が難しいがんやその他の疾患のスクリーニングに利用できるかもしれないをベースにしている。グラフェンとは、炭素の単原子層でできている 2 次元格子であり、軽量かつ電流や測定に対して極めて高感度である。
スレイタ氏は、「われわれのチップは2 次元格子のグラフェンでコーティングされており、256 個の個別のセンシングデバイスが搭載されている」と話す。
「正確性と再現性を保証するためにリガンド結合の測定を個別に 200 回以上行うことができ、データは測定後に結合される」。

82024.1 Laser Focus World Japanコンポーネントを組み合わせる
S 層タンパク質は高密度のフロアタ
イルやチェス盤のようなもので、電気的グラフェン表面の 2 次元結晶格子配列において、レセプタの結合部がリガンドに向くように、レセプタをほぼ100％上向きに固定して整列させることができる。表面におけるレセプタ密度は非常に高く、1cm2 あたり 1 兆個を

図２ プロトタイプのセンサのテストセットアップ。センサ（左）は小さな回路基板（右）に接続されている。プラスチックに梱包されている回路基板には細長いもので接続されている超える。
スレイタ氏は、「高級カーペットの繊いう問題がある」。

態と全く同じように振る舞う、真の多維が一本一本密集しているのに似ていMIT と BOKU のチームは「トップダ目的電気化学コミュニケーションシスる」と例える。「あるいは、一本一本ウン型」アプローチを採用している。

テムを作製する可能性を秘めている」。の草が上向きに生えている芝生のよう従来のバイオセンシングシステムが抱なものだ」。

えるボトルネックを解決するため、モ細胞膜表面には数百種類のレセプタがあるように、センサのレセプタはジュラー型のバイオミメティック・アーキテクチュアを製作した。

次は？
研究者は、このセンシングデバイスは家庭で簡単に使えるはずだと言う。

IgG の Fc と融合されて S 層プロテイン

チャン氏は、「標的分析物を検出す心拍数や日々の行動などを測定するウA/G に固定される。各レセプタまたはるプローブを探す代わりに、ヒトの生ェアラブルデバイスのように、読み取レセプタの組み合わせは音楽 CD のよ

理学的プロセスにおける重要なレセプ

ったデータをスマートフォンに送るこうに交換でき、さまざまな交換可能なタを特定し、それらを再設計して電子とができる。

チップをつくることができる。この交デバイスと統合する。これにより、生新しいセンサに携わった元 MIT 研

換可能なモジュール性が、新しい設計物物理学的に重要な電気出力を生成で究員のルイ・チン氏（Rui Qing）
は、「理のキーであるとスレイタ氏は述べる。

きる」と話す。

想を述べるなら、人々がこれを毎日、この「プラグ・アンド・プレイ」アー毎週、毎月使うことで、例えば尿、唾キテクチュアには、膜タンパク質であ液、汗、涙などからさまざまな健康関

従来のバイオセンサは、チャン氏がる S 層タンパク質の二重の単層構造が連分子を非侵襲的に測定できる」と話「ボトムアップ型」と表現するアプロー含まれていると、チャン氏は付け加えす。「多くの分子イベントは、身体的チに従っている。対象の分析物を想定る。シグナル伝達にはグラフェンベー症状よりも数か月から数年先駆けて起し、抗体や、特定の標的分子に結合すスの電界効果トランジスタが使用されきている。ほとんどの人は年に 1 回健る人工 DNA または RNA の短い配列でている。

康診断を受けるが、その間に何か問題

メリットとデメリット

チャン氏は、「この構造体は当然マが起きるかもしれない。異常な分子シルチモーダルである。超高感度バイオグナルを早くキャッチできれば、具体

チャン氏は、「これらのシステムは特エレクトロニクス検出における基本的的かつ徹底的な検査のためにより早く定の種類のバイオマーカーを効率的にな課題の 1 つである、デバイス表面上医療の専門家を訪ねることができる」。

検出できるが、プローブの入手可能性で明確に定義されたセンシング構造をチン氏はさらに、医療現場や家庭で、や特性によって本質的に制約を受け得るという課題を克服している」と話診断が難しいがんや転移性腫瘍などのる。さらに、臨床環境でのバイオマーす。
「トップダウン設計アプローチと全疾患をスクリーニングするために、「こカーの関連性において、スケーラビリ体的なアーキテクチュアのモジュールのシステムによって、簡便なポイント・ティと場合によってはアライメントに性は、このシステムに前例のないスケオブ・ケア検査や精密医療が徐々に可関して性能が低くなる」と話す。
「天ーラビリティを与えている。また、電能になることを願っている」と話す。

然のレセプタは水溶性が極めて低いと気的出力と制御を備えつつ生物学的実あるアプタマなどのプローブで選択的に検出する。

（ Justine Murphy ）LFWJ

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