1 議題6．プロジェクトの詳細説明【公開】

「先進ナノバイオデバイスプロジェクト」
第１回事後評価分科会説明資料
資料６－１－（３）
議題６．プロジェクトの詳細説明【公開】
１. 各社における研究開発成果の詳細について
（３）ピコリットル液滴型タンパク結晶化デバイスの研究開発
委託先：
共同研究先：
株式会社テクノメディカ
東京大学
平成１８年１２月２６日
1
ピコリットル液滴型タンパク結晶化デバイスの研究開発
ピコリットル液滴型タンパク結晶化デバイスの研究開発
タンパク質の分離精製
ボトルネック
一次構造の解析
結晶化
ハイスループット化
結晶化条件のハイスルー
プットデバイス開発
X-線 回折データの収集
静電マイクロマニピュ
レーションの応用
・ 結晶化条件探索の高速化
3次元分子モデルの構築
・ 使用タンパク質量の削減
・ 結晶化促進技術
タンパク質構造解析の流れ
・ 装置の小型化
静電マイクロマニピュレーションデバイス
概念図
事業原簿 （別紙３ ）P４
2
1
研究開発目標と成果
研究開発目標と成果
事業項目
目標
成果
１）液滴生成デバイスの研究開
発
処理速度：30サンプル
/時間以上
液滴の２次元搬送
プラスチックフィルム式カードによ
る搬送
液滴合体・搬送速度として33個/分
を実現
高電圧電源の作成ならびに高電圧電
源制御用ソフトを開発
◎
◎
シリンジから直接分注方式を採用
○
インピーダンスによる検出
画像処理による判別
○
○
プロトタイプ機
高電場下で半数以上の結晶が200μm
以上
電場によりＸ線回折の解像度向上効
果確認
△
○
２）マイクロチャンネル試薬供
給装置の開発
サンプル量：nLオー
ダー以下
３）タンパク質結晶化モニター
システムの開発
４）総合性能評価
タンパク質結晶サイ
ズ：100μｍ以上
評価
○
○
◎
事業原簿 （別紙３ ）P７－９
研究開発目標
研究開発目標
3
装置イメージ
装置イメージ
装置構成
１．分注装置 液滴を分注して各種結晶化条件を作り出す装置
２．保管装置 電場付与下で結晶化を行う保管装置
３．検出装置 画像処理により結晶を検出する装置
４．搬送装置 分注するカードを搬送する装置
５．制御装置 装置全体を制御する装置
保管装置
搬送装置
制御装置
分注装置
検出装置
事業原簿 （別紙３ ）P７－９
4
2
液滴生成デバイスの研究開発
液滴生成デバイスの研究開発
（１）静電マイクロマニピュレーション用電極の開発
（１）静電マイクロマニピュレーション用電極の開発
（２）静電マイクロマニピュレーション用電源の開発
（２）静電マイクロマニピュレーション用電源の開発
Droplet Actuation
Unit
Card Storage
& Retrieval Unit
Image Acquisition Unit
PC
事業原簿 （別紙３ ）P１０－１４
Images database & Analysis
5
静電マイクロマニピュレーション技術
静電マイクロマニピュレーション技術
・静電気による搬送
・片面電極だけで搬送可能
・上面にカードを載せること
が可能
・カード内で液滴を搬送可能
事業原簿 （別紙３ ）P１０－１４
6
3
電圧印加方法
電圧印加方法 液滴の２次元搬送
液滴の２次元搬送
分離可能型カードを用いた液滴の搬送
分離可能型カードを用いた液滴の搬送
(a)
Positive
Ground
(b)
Positive
Ground
１枚の電極で液滴の２次元搬送を実現
液滴
取り外し
フィルム
電極
分離可能型カードによる液滴の搬送を実現
事業原簿 （別紙３ ）P１０－１４
7
液滴の分注，搬送，合一，搬送
液滴の分注，搬送，合一，搬送
z Droplet volume
: 150 nL
z Voltage
: 200 V
z Electrodes pitch
: 300 um
z Needle inner diameter : 120 um
z Needle height
: 0.3 mm
33個／分の液滴合体・搬送を実現
事業原簿 （別紙３）P１０－１４
8
4
マイクロチャンネル試薬供給装置の開発
マイクロチャンネル試薬供給装置の開発
d
1
c
junction
d
1
液滴生成の様子
2
マイクロチャンネル形状
500
Droplet volume (nl)
80
droplet size (um)
90
酢酸
酢酸ナトリウム
Lysozyme
NaCl
70
60
50
40
30
20
10
dispersed phase
flow rate
450
400
0.1 ml/h
350
0.5 ml/h
300
1.0 ml/h
250
200
0
0.01
0.1
1
Dispersed phase flow (ml/h)
分散相流量と液滴サイズ
３：１の比で液滴生成可能
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
continuous phase flow rate (ml/h)
連続相流量と液滴サイズ
事業原簿 （別紙３）P１５－１８
9
試薬供給装置の開発－シリンジからの直接分注
試薬供給装置の開発－シリンジからの直接分注
シリンジから電極への直接分注
圧力
シリンジ
針
油相
+
-
生成した液滴
0
0 0 00 0 00 0 0
++++++ 0 0 00 0 0 0 +++++++++
進行波電界
•電圧 １８０Ｖ １Ｈｚ
•針の内径 : 110um
•針の高さ
５００um
• 電極サイズ :ピッチ 300um, 幅170um
液滴サイズ : 30nL
シリンジから直接分注を実現
最小20nl
事業原簿 （別紙３ ）P１５－１８
10
5
試薬供給装置の開発－マルチ分注ユニット
試薬供給装置の開発－マルチ分注ユニット
５分注ユニット位置
５分注ユニット
異なるサイズの液滴分注
複数の供給口から同時分注を実現
33個／分の滴合体・搬送を実現
事業原簿 （別紙３ ）P１５－１８
11
タンパク質結晶化モニターシステムの開発
タンパク質結晶化モニターシステムの開発
Solution Resistance Variations (%
60
Thaumatin droplet
40
Lysozyme droplet
20
0
Reference droplet
(Lysozyme experiment)
-20
-40
Reference droplet
(Thaumatin experiment)
-60
10:48
12:00
13:12
14:24
15:36
16:48
18:00
19:12
20:24
Time (h:min)
結晶成長と抵抗変化との相関が見られる
事業原簿 （別紙３ ）P１８－２０
12
6
タンパク質結晶化モニターシステムの開発
タンパク質結晶化モニターシステムの開発
プロトタイプ機の試作
Droplet Dispensing Unit
Image Acquisition Unit
Card Storage
& Retrieval Unit
Droplet Actuation Unit
PC
事業原簿 （別紙３ ）P１８－２０
Images database & Analysis
13
総合性能評価
総合性能評価 プロトタイプ機の試作
プロトタイプ機の試作
装置構成
１．分注装置：液滴を分注して各種結
晶化条件を作り出す装置
２．保管装置：電場付与下で結晶化
を行う保管装置
３．検出装置：画像処理により結晶を
検出する装置
４．搬送装置：分注するカードを搬送
する装置
５．制御装置：装置全体を制御する装
置
一連の動作確認
事業原簿 （別紙３ ）P２０－２８
14
7
総合性能評価
総合性能評価 電場による結晶化促進
電場による結晶化促進
Droplet
Oil
Insulator
θ
t
g
Positive
electrode
w
Grounded
electrode
Substrate
液滴の配置
カード－電極構造
事業原簿 （別紙３ ）P２０－２８
15
総合性能評価
総合性能評価 電場による結晶化促進
電場による結晶化促進
Electric Field (V/mm)
900
<0.09 mm
0.10-0.19mm
800
0.20-0.29mm
>0.30mm
600
400
200
NEF
0
2
材料 リゾチーム
4
6
8
10
12
14
16
Num ber of crystals
１つの液滴内に生じる結晶数減少、結晶サイズ向上を確認
事業原簿 （別紙３ ）P２０－２８
16
8
総合性能評価
総合性能評価 電場による結晶化促進
電場による結晶化促進
電場無し
電場付与
リゾチーム
ソーマチン
エレクトロウエティングによる液滴の平坦化
結晶の画像検出が容易
事業原簿 （別紙３ ）P２０－２８
17
総合性能評価
総合性能評価 Ｘ線回折結果
Ｘ線回折結果
材料 ソーマチン
NEF
500V/mm(100 V)
1000 V/mm(200V)
電界強度 (V/mm)
解像度 (Å )
0 (NEF)
1.54
500（100V)
1.54
1350 V/mm（270 V）
1000
(200V)
1.37
東京大学大学院
農学生命科学研
究科
1350
(270V)
1.35
永田助教授提供
電場付与によりX線回折の解像度が向上
プロジェクト終了後の成果
事業原簿 （別紙３ ）P２０－２８
18
9
実用化・事業化への取り組み
実用化・事業化への取り組み
２００６
２００７
２００９
２０１０
継続研究
プロトタイプ機全体
電場付与装置
２００８
継続研究
商品化
解像度向上を確認
★自社開発
静電マイクロマニ
ピュレーションの応
用展開
上市検討
★既存の設備に追加
展開検討
事業原簿 （別紙３ ）P３０
19
まとめ
まとめ
事業項目
目標
評価
１）液滴生成デバイスの研究開発
処理速度：30サンプル/時間以上
○
２）マイクロチャンネル試薬供給
装置の開発
サンプル量：nLオーダー以下
○
３）タンパク質結晶化モニターシ
ステムの開発
４）総合性能評価
特許
国内・・・・・・
ＰＣＴ出願・・・
○
タンパク質結晶サイズ：100μｍ
以
７件（出願済：
1 件（出願済：
○
７件）
１件）
論文・・・・・・・
３件（査読付き：３件
その他外部発表・・ １２ 件
新聞報道 １件
印刷中２件）
事業原簿 （別紙３ ）P３１－３３
20
10