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ナノピラー・ナノスリット技術でマイクロRNAをミリ秒スケールで抽出 ~1細胞解析やナノポアシーケンサーへの応用が期待~

 名古屋大学,大阪大学,九州大学,北海道大学は2017年3月9日,名古屋大学大学院工学研究科化学・生物工学専攻馬場嘉信教授,加地範匡准教授らの研究グループが,大阪大学産業科学研究所川合知二特任教授,九州大学先導物質化学研究所柳田剛教授,北海道大学大学院工学研究院応用化学部門渡慶次学教授のグループらと共に,ナノピラー・ナノスリット技術を用いて,細胞内に含まれる核酸成分から,新しいバイオマーカーとして期待されているマイクロRNA(miRNA)のみを20ミリ秒以内という超高速で抽出することに成功したことを発表した.本研究は,総合科学技術会議により制度設計された最先端研究開発支援プログラムにより,日本学術振興会を通して助成され,成果は英国科学誌Scientific Reportsに掲載された(注).

 miRNAは,遺伝子発現を抑制する効果を持つ22塩基程度のノンコーディングRNA(RNAはDNAの遺伝を写しとったり輸送する機能を持つ)であり,最近,miRNAとがん発症との高い相関性が見つけられており,がん診断のための新しいバイオマーカーとして注目されている.

 1分子のDNAやRNAから塩基配列を読み取る次々世代シーケンサーとしては,半導体の微細加工技術で作るナノメートルサイズの電極間ギャップに鎖状の分子を通過させ,その塩基によるイオン或いはトンネル電流の変化により配列情報を読み取るナノポアシーケンサーが開発された.1塩基/1msの高速で遺伝子情報が読み取れる.しかし問題は,一つの細胞からDNA,RNAなど核酸成分を抽出し,ナノポアシ-ケンサーに入力できる分子形状にする前処理である.これまでサンプル調製は人の手で行われており,この過程がDNA・RNA解析の律速になっていた.この問題解決のため,半導体分野で用いられる超微細加工技術を使ったナノピラー,ナノスリット等のデバイスが開発され,数十秒でDNAを分離できるようになっていた.今回,その両者を組み合わせたデバイスで数十msという1000倍近い大幅な分離の高速化を達成した.

 このデバイスでは,高さ100nm,長さ100µmのナノスリットの中に直径250nm,高さ100nmのナノピラーが750nmの間隔で配列された構造体が,幅25µmのマイクロ流路内に設置されており,ナノピラー群の持つ分子ふるい効果や分子の非平衡状態を作り出す機能と,ナノスリットのエントロピートラッピング効果(高分子物理化学的な閉じ込め効果)との相乗効果が発揮される.分子によりマイクロ流路通過遅延が異なることで,特定分子を検出できる.がん診断のバイオマーカーとして期待されるmiRNAの実験では,20msでの分離・抽出に成功した.

 このナノバイオデバイスでは,1細胞程度のサンプル量からのmiRNAの抽出か可能であり,ナノポアシーケンサー等との一体化により,本格的な1細胞解析技術の実現が期待されるとしている.

(注)Qiong Wu, Noritada Kaji, Takao Yasui, Sakon Rahong, Takeshi Yanagida, Masaki Kanai, Kazuki Nagashima, Manabu Tokeshi, Tomoji Kawai, and Yoshinobu Baba, "A millisecond micro-RNA separation technique by a hybrid structure of nanopillars and nanoslits", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 43877 (2017), doi:10.1038/srep43877; Published online: 08 March 2017