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コーネル大学、lab-on-a-chipがタンパク質-DNA相互作用を計測

January, 27, 2022, Ithaca, NY--コーネル大学研究者が開発した新しいナノフォトニクスピンセットは、1インチ平方以下のチップに取り付けられるので、生物システムの研究のために光を使用する単一分子操作が容易に、効率的になる。

論文では、James Gilbert White Distinguished教授、Michelle Wangと同教授のラボが、そのナノスケールデバイス、ナノフォトニック定在波アレイトラップ(nSWAT)が、一連の標準的な単一分子実験に十分な力であることを実証した。これには、DNA分子のストレッチング、DNA分子の開放、タンパク質-DNA相互作用の中断およびマッピングが含まれる。

その成果は、強力な単一分子操作にとって、(大きなテーブルトップセットアップではなく)、ナノフォトニックプラットフォームの初の実証である。成功したデモンストレーションは、商用利用への道を開くものであり、これは医療研究での利用につながる。

論文“Resonator Nanophotonic Standing-Wave Array Trap for Single-Molecule Manipulation and Measurement”は、Natur Communicationsに発表された。主筆は、Fan Ye、Wang Labのポスドク研究者。

以前に、光で分子を操作すること、光トラッピングとして知られる技術は、高価な特殊テーブルトップ装置を必要としていた。これは、非効率であり、研究者は、一度にDNAの1分子を調べる。

「ナノフォトニクスピンセットは、テーブルトップの全てのコンポーネント含んでおり、ナノサイズにスケールダウンしたが、機能は同じである」とWangはコメントしている。同氏は、Howard Hughes Medical Institute (HHMI)の研究者。

Wangによると、研究チームは、2014年にプロトタイプとしてnSWAT開発を発表した。

この世代のnSWATの主機能は、単一分子をつかみ、動かすのに必要な力である。チームは、生物物理学者が特殊なDNA結合タンパク質を調べながら定期的に実施している幅広い精密実験を仕上げるのに必要な力をnSWATが与えられることを証明している。

James Inmanによると、マクロスケールの光ピンセット、テーブルトップセットアップは非常に正確なナノスケール計測ができる。同氏は、Wang Labの研究スペシャリスト。しかし欠点は、研究者が一度に1個の分子に注目しなければならないことである。磁気ピンセットを含め、他の技術は、高スループットであるが、必要な正確さを欠いている。

「プロセスを並列化できるなら、遙かに多くの情報をより迅速に入手できる」(Inman)。

nSWATにより、研究者は、一列に整列した微小なプラスチックビーズを使い、分子アレイを操作することができる。光は導波路に沿って流れ、重要な場所で漏れ、微小なビーズを把捉する。それぞれが1/2µm程度の幅のこれらビーズは、DNA分子を保持するためのハンドル。目的は力の附与である。

「このラインに沿って、そのノードの各々のビーズを捉え、一度に、恐らく100のビーズを把捉できる。次に、2次コピーを近傍に置く」(Inman)。

長くて細い、DNA分子の2つの小さなビーズストリング、分子は、研究者が標準的な実験、ストレッチ、開放、相互作用のマッピングを実施できる位置にある。

nSWATチップは、光源を含まない。nSWATを利用するには、ラボは、光源としてレーザ、電気、電気ピンをとりつけるコンタクト、顕微鏡を装備する必要がある。

それに、水。lab-on-a-chipは、溶液内で動作する。非常に小さな、一滴が必要なだけである。

この研究は、世界有数のナノファブリケーションの一つであるコーネルナノスケール科学・技術ファシリティ (CNF)で行われた。
 CNFでは、防音室、隔離された光学テーブルでセットアップを複雑にした。われわれは、単分子生物物理学、それに特殊な光ピンセットを主流にしたいと考えている」(Inman)。同氏によと、その技術は、現在、商用メーカーの手にあり、わずか数千ドルの量産ナノフォトニクスピンセットチップを開発する。
「この種の基礎研究を利用して、治療目的で、タンパク質や治療のメカニズムをターゲットにできる」(Inman)。
(詳細は、https://news.cornell.edu/)