東大、１万通りの異なる生化学反応条件を一度にテストできる手法を開発

１万個の小さな試験管一つ一つで生体分子反応を見てみると
−試行錯誤から全数検査へ−


１．発表者：
　ロンドレーズ　ヤニック（フランス国立科学研究センター　研究員）
　藤井　輝夫（東京大学生産技術研究所　教授）


２．発表のポイント：
　◆マイクロ流体デバイス（注１）技術を応用して、生体分子反応系において一度に１万通りの生化学反応を行い、最適条件を見いだすことができる新手法を開発しました。
　◆従来、生体分子反応系を最適化し、診断などに利用できるようにするには、何ヶ月、あるいは何年にも渡る試行錯誤が必要でしたが、本手法によって数日間に短縮できるようになります。
　◆今後、本研究を発展させ、最終的には人の身体のような生きた分子システム（注２）の理解と構築を目指します。


３．発表概要
　フランス国立科学研究センター（以下、CNRS）のロンドレーズ　ヤニック研究員らの研究グループは、東京大学生産技術研究所と２０年前から運営している日仏国際共同研究ラボ（LIMMS）で、１万通りの異なる生化学反応条件を一度にテストすることができる手法（図１）を実現しました。東京大学生産技術研究所の藤井輝夫教授の応用マイクロ流体システム研究室が有する最先端ノウハウによって、これまでは技術的に困難だった無数のマイクロメートルサイズの液滴をランダムな濃度で作り、単層でスライドガラスの間に挟んで保持（図２）することが可能な実験手法を開発しました。この手法を用いることにより、試薬を標識した蛍光マーカが顕微鏡で自動的に読まれ、各液滴における反応条件を読み取ると同時に、どのように反応が進むかを観察することが可能となりました。
　本研究成果の活用により、医学分野での検査・診断や、創薬開発などへの応用が可能な分子プログラムの開発が大幅に迅速化されることが期待されます。


４．発表内容
　現状の生体分子反応系分野においては、研究者はコンピュータシミュレーションと手間のかかる実験を組み合わせて行っています。コンピュータシミュレーションは何百万もの条件をテストできますが、分子の反応については仮説に基づいており、現実の完全な詳細を反映してはいません。一方、単純な生化学反応でも、すべての条件をテストするには何ヶ月、場合によっては何年もの時間を要します。
　CNRSのロンドレーズ　ヤニック研究員らの研究グループは、反応条件のあらゆる組み合わせと、それに対応する結果の高精細マップがあれば、現在よりずっと短い時間で、診断検査といった特定目的の分子プログラムが開発できると考えました。そのための実験手法の開発に当たっては、濃度を精密な範囲内に調節して液滴を作ることが難しい課題だと考えられましたが、見極めるのに何日もかかるような反応のために液滴を長時間固定しておくことの方が困難でした。ガラスチャンバの形状を変えたり、液滴をきっちりと密閉して固定する接着剤を試してみたりと試行錯誤を重ね、結局、液滴実験を順調に行えるように微調整するのにほぼ２年の歳月を要しました。
　今回開発した手法を用いると、コンピューターの計算によって、反応の状況についての全情報を見せながら点が動き、美しい高精細マップができあがります。このマップによって生化学反応の最適条件が分かるだけではなく、分子がある条件でどういう動きを見せるかも分かります。このマップを利用して、理論的には予想されていたが実験ではまだ観測されていなかった挙動を示す反応条件を見出しました。
　今後は、この技術を使って分子同士が試験管内でお互いにどのように反応し合うかを調べ、最終的には人の身体のような生体内の分子システムの詳細な機構を明らかにすることを目指します。

　本研究はフランス外務省・高等教育研究省・日本学術振興会（JSPS）の日仏交流促進事業（SAKURAプログラム，３４１７１WG）、科学研究費補助金新学術領域研究（研究領域提案型）「動的・多要素な生体分子ネットワークを理解するための合成生物学の基盤構築」（課題番号２３１１９００１）ならびに特別研究員奨励費（課題番号２６０４７２６）、フランスANRポスドク帰国時助成金ANR１３−PDOC−０００１及びアルザス地方博士課程奨学金の助成を受けたものです。


５．発表雑誌：
　雑誌名：「Nature　Chemistry」オンライン版　６月２０日（月）午後４時（ロンドン時間）
　論文タイトル：High−resolution　mapping　of　bifurcations　in　nonlinear　biochemical　circuits
　著者：A．J．Genot，A．Baccouche，R．Sieskind，N．Aubert−Kato，N．Bredeche，J．F．Bartolo，V．Taly，T．Fujii，Y．Rondelez
　DOI番号：１０．１０３８／nchem．２５４４


■用語解説：
　（注１）マイクロ流体デバイス
　　マイクロ流体デバイスとは、概ねミリメートル（mm）からマイクロメートル（μm）レベルの微小な流路や反応容器において種々の化学・生化学反応や分析を行うための装置の総称であり、一般に半導体微細加工技術を用いて作製され、微小量の流体を扱える。

　（注２）分子システム
　　分子システムとは、与えられた処理を実行するためにプログラムされた一連の化学種と化学反応で構成されるシステム。例えばウイルスの検出用システムにおいては、ウイルス検出用の生化学反応試薬セットが分子システムにあたる。

　（注３）微小液滴
　　微小な液体の粒。本研究では油相に分散した微小な水相の粒をさす。反応容器あるいは物質キャリアとして用いることができる。


■添付資料：

　※図１・２は添付の関連資料を参照