ナノテク情報

ライフ・医療

ナノワイヤを利用した細胞破砕による微生物の特定方法 ~簡便な手法で感染症の予防に期待~

 名古屋大学,九州大学,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2019年2月14日,名古屋大学 大学院工学研究科の馬場 嘉信教授,安井 隆雄准教授らの研究グループが,九州大学 先導物質化学研究所の柳田 剛教授,大阪大学 産業科学研究所の川合 知二特任教授と共同で,微生物の細胞壁を簡単に破砕し,微生物の種類を特定する技術を新たに開発した,と発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「超空間制御と革新的機能創成」,および独立行政法人日本学術振興会新学術領域研究「分子夾雑の生命化学:がん病態環境の分子夾雑マッピングデバイスの開発」の一環として行われ,本研究の成果は,米国化学会誌ACS Nanoのオンライン版に掲載された(注).

 微生物の種類を特定するために,微生物からDNAを取り出して解析することが行われる.ガン細胞のような単離細胞では,細胞壁をナノワイヤで物理的に破壊し細胞内物質を取り出すことが行われており,同様の手法が微生物に対しても期待される.しかし,微生物の細胞壁は丈夫で破壊に対する抵抗力が大きく,ナノワイヤによる細胞の破壊は難しい.そのため,これまでは,微生物からのDNAの取り出しは,専門家が特殊な薬剤を用いて行なっていた.本研究において,研究グループは,ナノワイヤを利用するが細胞壁を突き刺すのではなく,ナノワイヤで捉えた微生物にかかる剪断力を利用して微生物を破砕し,DNAを取り出す方法を開発した.この破砕プロセスは,密集したナノワイヤの間を通過する微生物がナノワイヤに吸着し,それにワイヤが絡みつき,さらに流れによる剪断力を受け,細胞が引き延ばされて破壊されるという3ステップからなる.実験で用いられたナノワイヤは,シリカ(SiO2)基板上に密集して成長させた酸化錫(SnO2)ナノワイヤをコアとし,その外周を微生物との親和性が良好なSiO2で覆うコア-シェル構造である.SnO2コアの直径は10nm,SiO2シェルの厚みは10nmであり,ナノワイヤとしての直径は30nmとなる.また,ナノワイヤの長さは2~7μm,ナノワイヤの密度は90~110本/μm2である.ナノワイヤが微生物に適度に絡みつくにはナノワイヤの柔軟性が重要で,SiO2シェル層を50nmとしてナノワイヤの直径を110nmとすると,ワイヤの剛性のため微生物への絡みつきが悪くなり微生物の破砕が進まない.

 研究グループは,SiO2基板上の流路にSnO2のナノワイヤ部と,それを覆うポリジメチルシロキサン製のヘリンボーン構造を設けたデバイスを作製した.ヘリンボーン構造で誘起される対流により,微生物とナノワイヤの接触が促進される.ポンプから送り込まれる微生物を含む液を,ナノワイヤデバイスを経てDNA増幅デバイスに連結することで,微生物から取り出されたDNAが汚染されることなく増幅が可能である.実験では大腸菌,枯草菌だけでなく破壊が困難とされる酵母も容易に破砕された.得られたDNAを特定のDNAに結合して発色する試薬と反応させると目視による色の変化で目的とする微生物の有無が判定できる.

 本研究により,微生物が含まれる溶液に検査薬を混ぜポンプで送り込むだけで,O-157菌のような有害微生物の検査が容易に可能になる.研究グループは,この成果が危険な微生物の水際簡易検査や,家庭などで微生物由来の感染症予防に役立つことを期待している.

(注)T. Yasui, T. Yanagida, T. Shimada, K. Otsuka, M. Takeuchi, K. Nagashima, S. Rahong, T. Naito, D. Takeshita, A. Yonese, R. Magofuku, Z. Zhu, N. Kaji, M. Kanai, T. Kawai, and Y. Baba, "Engineering Nanowire-Mediated Cell Lysis for Microbial Cell Identification", ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b08959; Publication Date (Web): February 13, 2019