JP2023046682A - Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith - Google Patents
Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023046682A JP2023046682A JP2021155405A JP2021155405A JP2023046682A JP 2023046682 A JP2023046682 A JP 2023046682A JP 2021155405 A JP2021155405 A JP 2021155405A JP 2021155405 A JP2021155405 A JP 2021155405A JP 2023046682 A JP2023046682 A JP 2023046682A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lipid bilayer
- bilayer membrane
- hole
- forming
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
本発明は、液滴接触法により脂質二重膜を形成する脂質二重膜形成器具及びそれを用いた脂質二重膜の再生方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lipid bilayer membrane forming device for forming a lipid bilayer membrane by a droplet contact method and a method for regenerating a lipid bilayer membrane using the same.
生物を構成する細胞や、細胞内に存在するミトコンドリア、ゴルジ体、小胞体等の各種オルガネラ、細胞核等は、外側が生体膜で覆われており、この生体膜は、基本的に脂質二重膜から構成されている。生理活性を有する様々なタンパク質、すなわち、レセプターや酵素等がこの脂質二重膜を貫通する形で脂質二重膜上に保持されている。これらの膜貫通タンパク質は、生体内で重要な役割を果たしている。特に、細胞膜上に存在する各種レセプターは、生体内に存在するリガンドと結合することにより、様々な生理学的反応を引き起こす引き金になることがわかっている。このため、レセプターの機能を亢進する各種リガンドや、レセプターの機能を阻害する阻害剤等が医薬品として用いられており、また、新たな医薬品として利用可能な天然又は人工のリガンドや阻害剤が研究されている。 Cells that make up living organisms, various organelles such as mitochondria, Golgi bodies, and endoplasmic reticulum present in cells, cell nuclei, etc. are covered with a biological membrane on the outside, and this biological membrane is basically a lipid bilayer membrane. consists of Various physiologically active proteins such as receptors and enzymes are retained on the lipid bilayer membrane in a form that penetrates the lipid bilayer membrane. These transmembrane proteins play important roles in vivo. In particular, various receptors present on cell membranes are known to trigger various physiological reactions by binding to ligands present in vivo. For this reason, various ligands that enhance receptor function and inhibitors that inhibit receptor function are used as pharmaceuticals, and natural or artificial ligands and inhibitors that can be used as new pharmaceuticals are being researched. ing.
また、脂質二重膜にタンパク質を保持してセンサーとして利用することも知られている。例えば、脂質二重膜に嗅覚レセプタータンパク質を保持して臭気センサーとしたり、液滴接触法で脂質二重膜を形成する際の液滴中に、被検物質と特異的に結合する特異結合性物質を含ませ、一方、脂質二重膜にイオンチャネルタンパクを保持して、被検物質が存在する場合には被検物質が特異結合性物質と結合してイオンチャネルを閉塞するようにしたセンサーも知られている。 It is also known to retain proteins in lipid bilayer membranes and use them as sensors. For example, an odorant sensor can be obtained by retaining an olfactory receptor protein in a lipid bilayer membrane, or specific binding properties that bind specifically to a test substance in a droplet when forming a lipid bilayer membrane by the droplet contact method. A sensor that contains a substance and retains an ion channel protein in the lipid bilayer membrane so that, when the test substance is present, the test substance binds to the specific binding substance to block the ion channel. is also known.
従来、脂質二重膜の形成方法として広く用いられている方法として、液滴接触法が知られている(特許文献1~4等)。液滴接触法では、通常、一対のウェルと、これらのウェルを隔てる隔壁(セパレーター)とを具備する器具が用いられる。セパレーターは、脂質二重膜が形成される貫通孔を有する。各ウェルにそれぞれ脂質膜形成性の脂質を含む脂質液を添加し、次いで、各ウェルに電解質の水溶液を添加すると、隔壁の貫通孔を塞ぐ形で脂質二重膜が形成される。脂質二重膜内に保持すべきタンパク質等は、通常、水溶液中に含まれている。
Conventionally, a droplet contact method is known as a widely used method for forming a lipid bilayer membrane (
しかしながら、脂質二重膜は、非共有結合的に結合している脂質の単分子膜が二層積層されているだけの構造を有するため、振動等に対して脆弱であり、破壊されやすいという欠点を有する。従来、形成した脂質二重膜が破壊された場合には、最初から膜形成の工程を全てやり直すか、又は膜形成の工程の一部をやり直す必要があった。いずれにしても、工程のやり直し作業による人的・時間的リソースのロスが大きいという問題がある。膜破壊を起こしにくくするための技術開発も行われているが、膜の破壊を完全に防ぐことは現実的ではない。 However, lipid bilayer membranes have a structure in which lipid monomolecular membranes that are non-covalently bonded are laminated in two layers, so they are vulnerable to vibrations, etc., and are easily destroyed. have Conventionally, when the formed lipid bilayer membrane is destroyed, it has been necessary to redo the entire membrane formation process or redo a part of the membrane formation process from the beginning. In any case, there is a problem that the loss of human and time resources due to redoing the process is large. Technological developments have been made to make membrane breakage less likely, but it is not realistic to completely prevent membrane breakage.
本願発明者らは先に、ウェル底面から気泡をウェル内に導入することにより、脂質二重膜の再生が可能であることを見出し、発表した(非特許文献1)。膜が破壊された後も、セパレーターの貫通孔付近には脂質とオイルがあり、これに対して気泡を一時的に接触させることで、脂質二重膜が再形成される。すなわち、気泡と、水溶液界面に形成される脂質単分子膜が、セパレーターの貫通孔部分をなぞる過程で、脂質二重膜が形成される。 The inventors of the present application previously found and announced that lipid bilayer membranes can be regenerated by introducing air bubbles into the well from the bottom of the well (Non-Patent Document 1). Even after the membrane is destroyed, the lipid and oil are present near the through-holes of the separator, and the lipid bilayer membrane is reformed by temporarily contacting the air bubbles with this. That is, the lipid bilayer membrane is formed in the process in which the air bubbles and the lipid monomolecular membrane formed at the interface of the aqueous solution trace the through-hole portion of the separator.
気泡を利用する非特許文献1記載の方法は、簡単に脂質二重膜を再生することができる優れた方法ではあるが、1分間以内に脂質二重膜が再生される確率が31%しかないという課題がある。
The method described in Non-Patent
本願発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究の結果、ウェル底面に設けたガス吐出孔に隣接して、ガス吐出孔に発生した気泡の移動方向を制御する制御壁を設けることにより、1分間以内に脂質二重膜が再生される確率を大幅に高めることができることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive research to solve the above problems, the inventors of the present application have found that by providing a control wall adjacent to the gas discharge hole provided on the bottom surface of the well for controlling the moving direction of bubbles generated in the gas discharge hole, , found that the probability of regenerating a lipid bilayer membrane within 1 minute can be significantly increased, and completed the present invention.
すなわち、本発明は以下のものを提供する。
(1) 底面を有し、互いに隣接する一対のウェルと、これらのウェルの境界を隔てるセパレーターであって、脂質二重膜が形成される貫通孔を有するセパレーターと、を具備する脂質二重膜形成器具であって、
前記一対のウェルの少なくとも一方のウェルの底面に設けられたガス吐出孔と、
該ガス吐出孔にガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス吐出孔近傍に設けられ、前記ガス吐出孔から吐出される気泡が前記貫通孔から離れる方向に移動することを妨害する、気泡の移動方向を制御する制御壁とを具備する、脂質二重膜形成器具。
(2) 前記制御壁が、前記ガス吐出孔に隣接して設けられ、上から見て前記セパレーターに向かって中心角θで解放されている(1)記載の脂質二重膜形成器具。
(3) 前記中心角θが、30°~180°である、(2)記載の脂質二重膜形成器具。
(4) 前記中心角θが、60°~120°である、(3)記載の脂質二重膜形成器具。
(5) 前記制御壁の高さが0.2mm~2mmである、(1)~(4)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具。
(6) 前記セパレーターから前記ガス吐出孔の中心までの距離が、上から見て0.2mm~1mmである(1)~(5)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具。
(7) 前記ガス吐出孔の直径が、0.2mm~1mmである、(1)~(6)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具。
(8) 前記貫通孔の中心の位置から前記底面までの距離が0.2mm~2mmである、(1)~(7)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具。
(9) 前記制御壁が、前記底面上に積層されたプレートの側壁により構成される(1)~(8)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具。
(10) (1)~(9)のいずれかに記載の脂質二重膜形成器具を用い、液滴接触法により前記貫通孔に形成された脂質二重膜が破壊された場合に、前記ガス吐出孔からガスを吐出し、吐出された気泡を前記貫通孔と接触させることにより前記貫通孔に脂質二重膜を再生させる、脂質二重膜の再生方法。
(11) 前記気泡により、前記貫通孔を介した一対のウェル中の液滴の接触が遮断される液滴分断時間が1秒~10秒である、(10)記載の方法。
(12) 前記ガス吐出孔からガスを吐出する速度が、20μL/min~200μL/minである、(10)又は(11)記載の方法。
That is, the present invention provides the following.
(1) A lipid bilayer membrane comprising a pair of wells adjacent to each other and having a bottom surface, and a separator separating the boundaries of these wells and having through holes in which the lipid bilayer membrane is formed. A forming instrument,
a gas ejection hole provided in the bottom surface of at least one of the pair of wells;
gas supply means for supplying gas to the gas discharge holes;
a control wall provided in the vicinity of the gas ejection hole for controlling the moving direction of the air bubble, which prevents the air bubble ejected from the gas ejection hole from moving in a direction away from the through hole. Membrane forming device.
(2) The device for forming a lipid bilayer membrane according to (1), wherein the control wall is provided adjacent to the gas discharge hole and opened at a central angle θ toward the separator when viewed from above.
(3) The device for forming a lipid bilayer membrane according to (2), wherein the central angle θ is 30° to 180°.
(4) The device for forming a lipid bilayer membrane according to (3), wherein the central angle θ is 60° to 120°.
(5) The device for forming a lipid bilayer membrane according to any one of (1) to (4), wherein the control wall has a height of 0.2 mm to 2 mm.
(6) The device for forming a lipid bilayer membrane according to any one of (1) to (5), wherein the distance from the separator to the center of the gas discharge hole is 0.2 mm to 1 mm when viewed from above.
(7) The device for forming a lipid bilayer membrane according to any one of (1) to (6), wherein the gas discharge hole has a diameter of 0.2 mm to 1 mm.
(8) The device for forming a lipid bilayer membrane according to any one of (1) to (7), wherein the distance from the center position of the through-hole to the bottom surface is 0.2 mm to 2 mm.
(9) The device for forming a lipid bilayer membrane according to any one of (1) to (8), wherein the control wall is composed of side walls of plates laminated on the bottom surface.
(10) Using the lipid bilayer membrane forming device according to any one of (1) to (9), when the lipid bilayer membrane formed in the through-hole is broken by a droplet contact method, the gas A method for regenerating a lipid bilayer membrane, comprising exhaling a gas from an ejection hole and bringing the ejected air bubbles into contact with the through-hole to regenerate the lipid bilayer membrane in the through-hole.
(11) The method according to (10), wherein the air bubble interrupts contact between the droplets in the pair of wells through the through-holes, and the droplet breakup time is 1 to 10 seconds.
(12) The method according to (10) or (11), wherein the speed at which the gas is discharged from the gas discharge holes is 20 μL/min to 200 μL/min.
本発明によれば、破壊された脂質二重膜を簡便に、高い確率で再生することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a destroyed lipid bilayer membrane can be easily regenerated with high probability.
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。 Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
図1は、特許文献3に記載されている公知の脂質二重膜形成器具の模式図である。本発明の脂質二重膜形成器具も、後述する新規な特徴以外の基本的な構造は、図1に示すような公知の脂質二重膜形成器具と同様である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a known device for forming a lipid bilayer film described in
図1(a)が平面図、図1(b)が図1(a)中のb-b'線切断部端面図である。この具体例では、基板10中に、第1のウェル16及び第2のウェル14が形成され、それらの境界がセパレーター12により隔てられている。このような構成のものは、ダブルウェルチャンバー(DWC)又はダブルウェルデバイスと呼ばれている。セパレーター12には、貫通孔18(図1の(b)参照)が設けられている。図1に示す例では、ウェルの平面形状が基本的に円形であり、2つの円が接する境界部分のみが直線状になっているが、ウェルの形状は限定されるものではなく、上記貫通孔を有する隔壁によって隔てられていれば、他の形状でも問題はない。ウェルのサイズは、特に限定されず、通常、直径が2mm~8mm程度、特には3mm~5mm程度、深さは通常、直径の50%~200%、特には50%~100%程度であるが、この範囲よりも大きくても小さくても本発明の方法を実施することが可能である。セパレーター12に設けられた貫通孔18の数は1個でも複数個でもよい。
FIG. 1(a) is a plan view, and FIG. 1(b) is an end view taken along line bb' in FIG. 1(a). In this embodiment, a
本発明の脂質二重膜形成器具の好ましい一具体例の模式断面図を図2に示す。図2の左側の図は、上記した図1(b)と同様な図であり、図1(b)を参照して説明した構成に対応する構成には、図1(b)と同じ参照番号を付してある。図2の右側の図は、左側の図の貫通孔18近傍の部分拡大図である。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a preferred specific example of the lipid bilayer membrane-forming device of the present invention. The diagram on the left side of FIG. 2 is similar to FIG. 1(b) described above. is attached. The drawing on the right side of FIG. 2 is a partially enlarged view of the vicinity of the through
図2中、参照番号20は、第1のウェル16中に形成されている液滴を示し、参照番号22は、第2のウェル14中に形成されている液滴を示す。一方のウェル(図示の例では第2のウェル14)の底面には、ガス吐出孔30が設けられている(図2の右側の拡大図参照)。ガス吐出孔30には、マイクロ流路32が接続され、マイクロ流路32の他端にはポンプ34が接続されている。ポンプ34から供給されたガスが、マイクロ流路32を通ってガス吐出孔30から第2のウェル14内に吐出される。図2の右側の拡大図中の参照番号36は、脂質の単分子膜(脂質一重層)である。セパレーター12からガス吐出孔の中心までの距離は、特に限定されないが、上から見て(後述する図3参照)通常、0.2mm~1mm程度、好ましくは0.3mm~0.7mm程度である。また、ガス吐出孔30の直径は、特に限定されないが、通常、0.2mm~1mm程度、好ましくは0.3mm~0.7mm程度である。また、貫通孔18の中心から、第2のウェル14の底面までの距離(図2の拡大図中の参照符号h)は、通常、0.2mm~2mm程度、好ましくは、0.3mm~1mm程度である。なお、明瞭性のため、図2には、本発明の重要な特徴である、後述する制御壁は図示していない。
In FIG. 2,
図3は、本発明の好ましい一具体例のガス吐出孔30近傍を、上から見た模式平面図である。ガス吐出孔30の近傍に、ガス吐出孔30から吐出される気泡が貫通孔18から離れる方向に移動することを妨害する、気泡の移動方向を制御する制御壁38が設けられている。制御壁38は、第2のウェル14の底面上に設けられた壁である。図示の具体例では、制御壁38が、ガス吐出孔30に隣接して設けられ、上から見てセパレーター12に向かって中心角θで解放されている。下記実施例において具体的に記載されるように、中心角θは、30°~180°(180°の場合は、制御壁は上から見てまっすぐである)が好ましく、特に60°~120°が好ましい。中心角θがこの範囲にあると、ガス吐出後1分間以内に脂質二重膜が形成される確率が増大する。制御壁38は、セパレーター12に対して対象に設ける(すなわち、ガス吐出孔30の中心からセパレーター12に下ろした垂線により中心角θが二等分される)ことが好ましいが、多少のずれ(例えば、前記垂線により、中心角θが6:4~4:6に分けられる)は問題ない。また、貫通孔18は、前記垂線の真上に位置することが好ましいが、多少のずれ(例えば、図3の左右方向に0.4mm程度以下ずれる)は問題ない。なお、制御壁38は、第2のウェル14の底面上に壁を設ければよいが、底面上に積層されたプレートの側壁により制御壁38を構成してもよい。この方法は、一方の端面が、上記した所望の制御壁38の形状となるように形成したプレートを積層するだけで制御壁38を形成することができるので、製造工程が簡便で好ましい。この場合には、上記プレートにより、ウェルの底面に段差が形成されることになり、この段差の端面(側壁)が制御壁38となる。
FIG. 3 is a schematic plan view of the vicinity of the gas ejection holes 30 of one preferred embodiment of the present invention, viewed from above. A
次に本発明の脂質二重膜形成器具を用いた、脂質二重膜の再生方法を説明する。 Next, a method for regenerating a lipid bilayer membrane using the device for forming a lipid bilayer membrane of the present invention will be described.
先ず、特許文献1~4に記載されている常法の液滴接触法により、貫通孔18を塞ぐ脂質二重膜を形成する。すなわち、各ウェル14、16に、脂質液を入れる。次いで、一方のウェルに水溶液を加える。そうすると、水溶液と脂質液の界面に、貫通孔18を塞ぐ形で、脂質単分子層である脂質一重膜が自発的に形成される。次に、他方のウェルに水溶液を加える。そうすると、他方側の水溶液と脂質液の間にも、先と同様に貫通孔18を塞ぐ形で脂質一重膜が形成され、結果として、貫通孔18を塞ぐ脂質二重膜が形成される。
First, a lipid bilayer membrane that closes the through-
使用される脂質液及び電解質水溶液は、従来の液滴接触法で用いられている脂質液及び電解質水溶液と同じものを用いることができる。すなわち、脂質二重膜を構成するリン脂質としては、例えば、ジフィタノイルフォスファチジルコリン(diphytanoyl phosphatidylcholine,DPhPC)、ジパルミトイルフォスファチジルコリン(dipalmytoyl phosphatidylcholine)、ジオレオイルフォスファチジルコリン(Dioleoyl phosphatidylcholine,DOPC)等を好ましい例として挙げることができる。これらの脂質分子は、市販品の試薬グレードのものを利用することができる。リン脂質を溶解する有機溶媒は、例えばn-デカンなどの脂肪族炭化水素溶媒を用いることができる。有機溶媒中の脂質分子濃度は特に限定されないが、安定した脂質二重膜の形成には通常5 mg/mL以上、好ましくは20 mg/mL以上である。また、電解質水溶液としては、通常、塩化カリウムのような塩を含むリン酸緩衝液のような水系緩衝液が用いられる。 The lipid liquid and electrolyte aqueous solution used can be the same as the lipid liquid and electrolyte aqueous solution used in the conventional droplet contact method. That is, the phospholipids constituting the lipid bilayer membrane include, for example, diphytanoyl phosphatidylcholine (DPhPC), dipalmytoyl phosphatidylcholine, dioleoyl phosphatidylcholine (Dioleoyl phosphatidylcholine). phosphatidylcholine, DOPC) and the like can be mentioned as preferable examples. These lipid molecules are commercially available in reagent grade. An aliphatic hydrocarbon solvent such as n-decane can be used as the organic solvent that dissolves the phospholipid. Although the concentration of lipid molecules in the organic solvent is not particularly limited, it is usually 5 mg/mL or higher, preferably 20 mg/mL or higher for stable lipid bilayer membrane formation. As the aqueous electrolyte solution, an aqueous buffer such as a phosphate buffer containing a salt such as potassium chloride is usually used.
脂質二重膜は、該脂質二重膜に保持された状態におけるタンパク質の性質や機能を調べたり、該タンパク質に結合して、その生理活性を変化させるリガンドをスクリーニングしたりその性質を調べたりする各種測定に好適に用いられるものであるので、脂質二重膜は、タンパク質を含んでいることが好ましく、特に生体内で生体膜に保持された状態で機能している膜貫通タンパク質が好ましい。脂質二重膜に保持するタンパク質としては、各種レセプターや酵素を挙げることができ、例としては、α-ヘモリシン、グラミシジン、アラメチシンなどのペプチドタンパク質類、各種イオンチャンネル、ABCトランスポータタンパク質等を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。タンパク質が水溶性の場合、上記水溶液としてタンパク質の水溶液を用いることが好ましく、水系緩衝液中にタンパク質を含む水溶液を用いることがさらに好ましい。これらの溶液中のタンパク質の濃度は、特に限定されるものではなく、適宜選択することができるが、通常、0.1nM~10nM程度、好ましくは0.5nM~2nM程度である。なお、タンパク質は、2つのウェルのいずれか一方に添加される水溶液中に含まれていればよいが、両方のウェルに添加される水溶液中に含まれていてもよい。また、2つのウェルに添加される水溶液は、同じ組成のものでも異なる組成のものでもよい。 Lipid bilayer membranes are used to investigate the properties and functions of proteins in a state retained by the lipid bilayer membrane, to screen ligands that bind to the proteins and change their physiological activities, and to examine their properties. Since the lipid bilayer membrane is preferably used for various measurements, it is preferable that the lipid bilayer membrane contains a protein, and in particular, a transmembrane protein that functions in vivo while being retained by the biological membrane is preferable. Examples of proteins retained in lipid bilayer membranes include various receptors and enzymes, examples of which include peptide proteins such as α-hemolysin, gramicidin and alamethicin, various ion channels, and ABC transporter proteins. However, it is not limited to these. When the protein is water-soluble, it is preferable to use an aqueous solution of the protein as the aqueous solution, and it is more preferable to use an aqueous solution containing the protein in an aqueous buffer. The protein concentration in these solutions is not particularly limited and can be selected as appropriate, but is usually about 0.1 nM to 10 nM, preferably about 0.5 nM to 2 nM. The protein may be contained in the aqueous solution added to either one of the two wells, but may be contained in the aqueous solution added to both wells. Also, the aqueous solutions added to the two wells may have the same composition or different compositions.
なお、形成した脂質二重膜を活用する場合、脂質二重膜に保持された、チャネルタンパク質等を通過する電流、すなわち、脂質二重膜を介して流れる電流の値を測定することが通常、行われる。これは、通常、上記した各ウェルの底部に設けられた電極(図示せず)に、電流測定のための増幅回路を接続して行われる。このような回路は、従来の液滴接触法で用いられているものと同じであって周知であり、例えば、特許文献1に記載されている。 When utilizing the formed lipid bilayer membrane, it is usual to measure the value of the current passing through the channel protein or the like retained in the lipid bilayer membrane, that is, the value of the current flowing through the lipid bilayer membrane. done. This is usually done by connecting an amplifier circuit for current measurement to the electrode (not shown) provided at the bottom of each well. Such circuits are the same as those used in conventional droplet contact methods and are well known and are described, for example, in US Pat.
上記した液滴接触法により脂質二重膜の形成方法は、従来と同様であり、周知である。本発明の脂質二重膜の再生方法は、上記のように形成した脂質二重膜が何らかの原因(振動や、自然に破壊されることもある)で破壊された後に実施される。形成した脂質二重膜が破壊されれば、前記したポンプ34からガスを送り、ガス吐出孔30から吐出させる。ガスとしては、空気を用いることが最も簡便、安価で好ましいが、所望により、空気以外のガス、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性なガスを用いることも可能である。ガスを吐出することにより、液滴内に気泡が生じる。この気泡を貫通孔18と接触させることにより、貫通孔18を塞ぐ形で脂質二重膜が再度形成される。脂質二重膜が破壊された後も、貫通孔18付近には脂質とオイルがあり、これに対して気泡を一時的に接触させることで、脂質二重膜が再形成される。すなわち、気泡と、水溶液界面に形成される脂質単分子膜が、セパレーターの貫通孔部分をなぞる過程で、脂質二重膜が形成される。なお、気泡による脂質二重膜の再生自体は公知である(非特許文献1)。
The method of forming a lipid bilayer membrane by the droplet contact method described above is the same as the conventional method and well known. The lipid bilayer membrane regeneration method of the present invention is carried out after the lipid bilayer membrane formed as described above is destroyed by some cause (vibration or spontaneous destruction may occur). When the formed lipid bilayer membrane is destroyed, the gas is sent from the
ガス吐出孔30からガスを吐出する速度は、特に限定されないが、好ましくは20μL/min~200μL/min程度である。ガス吐出速度をこの範囲とすることにより、1分間以内に脂質二重膜が再生される確率を上げることができる。また、気泡により、貫通孔18を介した一対のウェル中の液滴の接触が遮断される液滴分断時間は、特に限定されないが、1秒~10秒程度であることが好ましい。液滴分断時間をこの範囲内とすることにより、1分間以内に脂質二重膜が再生される確率を上げることができる。なお、液滴分断時間は、ガス吐出速度や、器具の各種寸法(例えば、上記した、ガス吐出孔30の直径、セパレーター12からガス吐出孔30の中心までの距離、貫通孔18の中心の位置から底面までの距離等)を上記した好ましい範囲内で適宜設定することにより、調節することが可能である。
The speed at which the gas is discharged from the gas discharge holes 30 is not particularly limited, but is preferably about 20 μL/min to 200 μL/min. By setting the gas ejection speed within this range, the probability of regenerating the lipid bilayer membrane within 1 minute can be increased. Also, the droplet breakup time during which contact between the droplets in the pair of wells through the through-
本発明の再生方法によれば、高い確率(下記実施例で具体的に示されるように最高97%)で1分間以内に脂質二重膜が再生される。また、脂質二重膜破壊から再形成までを全て電流値から判断出来るため、電子制御による自動化が期待できる。気泡の吐出についても、簡便なポンプとウェル毎の気泡で解決でき、並列化した膜アレイデバイスへの展開も可能と考えられる。 According to the regeneration method of the present invention, the lipid bilayer membrane is regenerated within 1 minute with a high probability (up to 97% as exemplified in the examples below). In addition, since it is possible to judge from the current value everything from lipid bilayer membrane disruption to re-formation, automation by electronic control can be expected. Air bubble ejection can also be solved with a simple pump and air bubbles in each well, and it is considered possible to develop a parallel membrane array device.
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
参考例1 中心角θの最適化
上記した制御壁38の中心角θを最適化するべく、以下の予備実験を行った。
Reference Example 1 Optimization of Central Angle θ In order to optimize the central angle θ of the
1. デバイス
図4及び5に示すような底面に段差形状をもつデバイスを作製した。図4(a)は、作製したデバイスの平面模式図、図4(b)は断面模式図である。図5は、該デバイスの模式分解斜視図である。デバイスは、容器となる一辺5 mmの正方形の底面からなるウェル部40と、ガス吐出孔30と段差をつけた底部42、ガスを吐出するためのマイクロ流路部44の3層構造からなる。底部42の、上から見た段差形状は、図4(a)に示すように気泡の導入孔を起点として角度(θ)をパラメータとしたθ=30°、60°、90°、120°、150°、180°と、段差を持たない形状の7種類のデバイスを設計した。段差は、高さ0.5 mmとした。なお、この段差の端面(側壁)が、制御壁として機能する。3層の部品は、アクリル板をNC精密加工機を用いて切削し、作製した。部品同士は熱圧着により接着した。また、ウェル部の側面は観察のためガラス板を接着剤で貼り付けた。
1. Device A device having a stepped bottom surface as shown in FIGS. 4 and 5 was fabricated. FIG. 4(a) is a schematic plan view of the manufactured device, and FIG. 4(b) is a schematic cross-sectional view. FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of the device. The device has a three-layer structure of a
2. 実験方法・条件
1) ウェルに、リン脂質(20 mg/mL DPhPC (1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine))を分散した有機溶媒(n-デカン)を6μL滴下した。
2) ウェルに、緩衝液(1 M KCl、10 mM リン酸緩衝液、pH 7.4)を44μL滴下し、5分間静置した。
3) シリンジポンプ(Pump elite 11(商品名)、Harvard Apparatus社製)に設置したガスタイトシリンジから空気を吐出し、デバイス下部のマイクロ流路32を通して、ウェル底面に設置したガス吐出孔30から気泡を生じさせた。空気の流入速度は30μL/minとした。気泡が浮力によりガス吐出孔30から離れた時点で空気の吐出を止めた。1分間ごとに1回この作業を行い、これを10回繰り返した。
4) 気泡の導入の様子を上部からデジタルマイクロスコープ(VHX-1000、 KEYENCE)でビデオ撮影した。段差形状の角度に対する気泡の誘導方向を観測した。
5) 気泡を導入してから離れるまでの間、1秒ごとの気泡の中心点をプロットした。この際、気泡の導入孔の中心点を原点とし、誘導方向となるθ/2の方向をy、その垂線方向をxと定めた。
2. Experimental method/conditions
1) 6 μL of organic solvent (n-decane) in which phospholipid (20 mg/mL DPhPC (1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)) was dispersed was dropped into the well.
2) 44 μL of a buffer solution (1 M KCl, 10 mM phosphate buffer, pH 7.4) was added dropwise to the wells and allowed to stand for 5 minutes.
3) Air is discharged from a gas-tight syringe installed in a syringe pump (Pump elite 11 (trade name), manufactured by Harvard Apparatus), and bubbles are released from the
4) A video of the introduction of air bubbles was taken from above with a digital microscope (VHX-1000, KEYENCE). We observed the guiding direction of bubbles with respect to the angle of the step shape.
5) Plotted the center point of the bubble every second from the time the bubble was introduced until it left. At this time, the center point of the bubble introduction hole was defined as the origin, the direction of θ/2 as the guide direction was defined as y, and the perpendicular direction was defined as x.
3.結果
実験結果を、下記表1に示す。段差角度(θ)=90°の時、気泡は横にぶれる距離が最も小さく、誘導方向へも最も前進した。この結果に基づき、下記の実施例では、中心角θを90°に設定して実験を行った。
3. Results The experimental results are shown in Table 1 below. When the step angle (θ) was 90°, the bubble swayed to the side the shortest and advanced the most in the guiding direction. Based on this result, experiments were conducted with the central angle θ set to 90° in the following examples.
実施例1
1. 脂質二重膜形成器具の作製
図2及び図3に示す段差(制御壁38)付き、ガス吐出孔30を有するダブルウェルデバイスを作製した。本デバイスは、脂質二重膜の形成を行うダブルウェルチップと、アンプに接続するためのBNCコネクタで構成される。ダブルウェルチップは、脂質二重膜を形成する、全体として8の字型の一対のウェルを具備するダブルウェル部、ガス吐出孔と段差を有する底部、マイクロ流路部の3層構造からなる。ダブルウェル部には、2つのウェルの境界面に直径400 μmの貫通孔をもつアクリル製セパレーター(厚さ 75 μm)を挿入した。底部の段差形状は、図3に示すように直径0.5 mmのガス吐出孔30を起点として中心角θ=90°とし、高さは0.5 mmとした。セパレーターから0.45 mmの位置にガス吐出孔の中心が来るように設計した。マイクロ流路部には、空気を供給するための流路(深さ0.5 mm)を設け、ガス吐出孔へ空気を送れるように繋げた。3層の部品は、アクリル板をNC精密加工機を用いて切削し、作製した。部品同士は熱圧着により接着した。ウェル底部には脂質二重膜の電気生理学的計測を行うための直径1mmの一対の銀電極(作用電極、参照電極)を包埋した。電極は、BNCコネクタに接続した。
Example 1
1. Preparation of Lipid Bilayer Membrane Forming Instrument A double well device having a step (control wall 38) and a
2. ガス吐出速度による気泡と貫通孔の接触時間の制御
(1) 実験方法・条件
1) それぞれのウェルにリン脂質(20 mg/mL DPhPC)を分散した有機溶媒(n-デカン)を2.4 μL滴下し、続けて緩衝液(40 nM アルファ-ヘモリシン、1 M KCl、10 mM リン酸緩衝液、pH 7.4)を25μL滴下した。この操作により、セパレーターの貫通孔に脂質二重膜が形成された。
2) 脂質二重膜の再形成を実施するため、デバイスに物理的刺激を与えて脂質二重膜を破壊した。
3) シリンジポンプから空気を送り、デバイス下部のマイクロ流路を通して、デバイス底面に設置したガス吐出孔から気泡を生じさせた。空気の吐出条件は、30 μL/min、100μL/min,200 μL/min,400 μL/minの4条件とした。
4) 下記のセパレーターの貫通孔の状態と電流値の関係にもとづいて、電流値の変化から、気泡による液滴の分断時間を観測・解析した。印加電圧は50 mVとした。電流測定のための回路や電極は、特許文献3等に記載されている周知の構成を採用した。
5) 1分ごとに、脂質二重膜の破壊と気泡の吐出を10回繰り返し、観測・解析を行った。
2. Control of contact time between bubbles and through-holes by gas discharge speed
(1) Experimental method and conditions
1) 2.4 μL of organic solvent (n-decane) in which phospholipid (20 mg/mL DPhPC) was dispersed was added dropwise to each well, followed by buffer solution (40 nM alpha-hemolysin, 1 M KCl, 10 mM
2) In order to reform the lipid bilayer membrane, we applied a physical stimulus to the device to destroy the lipid bilayer membrane.
3) Air was sent from a syringe pump, and air bubbles were generated from the gas discharge holes provided on the bottom of the device through the microchannel at the bottom of the device. There were four conditions for air ejection: 30 µL/min, 100 µL/min, 200 µL/min, and 400 µL/min.
4) Based on the relationship between the state of the through-holes in the separator and the current value described below, the breakup time of droplets due to air bubbles was observed and analyzed from changes in the current value. The applied voltage was 50 mV. A well-known configuration described in
5) Observation and analysis were performed by repeating the rupture of the lipid bilayer and ejection of air bubbles 10 times every minute.
(2) 結果
(i) セパレーターの貫通孔の状態と電流値の関係
図6に脂質二重膜破壊後に気泡を吐出した場合の電流値変化の様子を示す。
1) 脂質二重膜の破壊:2つの水滴が貫通孔で融合しているため、電気抵抗は非常に小さく、電流値はオーバーフローになる。
2) 気泡による水滴分断:貫通孔に気泡が存在するため、電気抵抗が上昇し、電流値は0になる。
3) 気泡の離脱:気泡がガス吐出孔から離脱する際に生じる電気的ノイズが観測される。貫通孔で液滴同士が分断の状態を保てていれば、電流値は0のままとなる。一方で、気泡離脱後に液滴同士が融合した場合は、電流値はオーバーフローになる。
4) 脂質二重膜の再形成:アルファ-ヘモリシンは脂質二重膜に再構成して、ナノメートルサイズの透孔(ポア)を形成する。このナノポアの再構成は、前記実験条件において約50 pAのステップ状の電流値上昇を示す。前記3)で液滴同士が分断された後、このステップ状の電流シグナルが観測されることをもって脂質二重膜の再形成を判定した。1分以内に観測されない場合は、有機溶媒が過剰な状態であり、脂質二重膜が形成できていないと判定した。
(2) Results
(i) Relationship between state of through-holes in separator and current value FIG. 6 shows how the current value changes when air bubbles are ejected after the lipid bilayer membrane is broken.
1) Breakage of lipid bilayer membrane: Since two water droplets are fused at the through-hole, the electrical resistance is very small and the current value overflows.
2) Droplet breakup due to air bubbles: Due to the presence of air bubbles in the through-holes, the electrical resistance increases and the current value becomes zero.
3) Detachment of bubbles: Electrical noise generated when bubbles are detached from the gas discharge port is observed. If the droplets are kept separated by the through-hole, the current value remains 0. On the other hand, if the droplets merge after the bubbles are detached, the current value overflows.
4) Reformation of lipid bilayer membranes: Alpha-hemolysin reconstitutes into lipid bilayer membranes and forms nanometer-sized pores. The reconstitution of this nanopore shows a step-like current increase of about 50 pA under the experimental conditions. Reformation of the lipid bilayer membrane was judged based on the observation of this step-like current signal after the droplets were separated from each other in 3) above. If not observed within 1 minute, it was determined that the organic solvent was excessive and the lipid bilayer membrane could not be formed.
(ii) 気泡の吐出速度と気泡による液滴の分断時間の関係を図7に示す。この結果と、後述する、気泡の吐出速度と脂質二重膜再生成功率との関係から、液滴の分断時間が1秒~10秒程度の時に脂質二重膜再生成功率が高くなることがわかる。 (ii) FIG. 7 shows the relationship between the ejection speed of bubbles and the breakup time of droplets due to bubbles. Based on this result and the relationship between the bubble ejection speed and the lipid bilayer regeneration success rate, which will be described later, the lipid bilayer membrane regeneration success rate is high when the droplet fragmentation time is about 1 to 10 seconds. Recognize.
3. 脂質二重膜の再形成成功率
(1) 実験方法・条件
上記で作製したダブルウェルデバイスを用いて以下の実験を行った。
1) それぞれのウェルにリン脂質(20 mg/mL DPhPC)を分散した有機溶媒(n-デカン)を2.4 μL滴下し、続けて緩衝液(40 nM アルファ-ヘモリシン、1 M KCl、10 mM リン酸緩衝液、pH 7.4)を25μL滴下した。この操作により、セパレーターの貫通孔に脂質二重膜が形成された。
2) 脂質二重膜の再形成を実施するため、デバイスに物理的刺激を与えて脂質二重膜を破壊した。
3) シリンジポンプから空気を送り、デバイス下部のマイクロ流路を通して、デバイス底面に設置したガス吐出孔から気泡を生じさせた。空気の吐出条件は、30μL/min、100μL/min、200μL/min、400μL/minの4条件とした。
4) 前記のセパレーターの貫通孔の状態と電流値の関係にもとづいて、電流値の変化から、貫通孔における脂質二重膜の破壊、気泡による液滴の分断、気泡の離脱、脂質二重膜の再形成を観測・解析した。印加電圧は50 mVとした。電流測定のための回路や電極は、特許文献3等に記載されている周知の構成を採用した。
5) 1分間ごとに、脂質二重膜の破壊と気泡の吐出を30回繰り返し、観測・解析を行った。
3. Success rate of lipid bilayer reformation
(1) Experimental method and conditions The following experiment was conducted using the double well device prepared above.
1) 2.4 μL of organic solvent (n-decane) in which phospholipid (20 mg/mL DPhPC) was dispersed was added dropwise to each well, followed by buffer solution (40 nM alpha-hemolysin, 1 M KCl, 10 mM
2) In order to reform the lipid bilayer membrane, we applied a physical stimulus to the device to destroy the lipid bilayer membrane.
3) Air was sent from a syringe pump, and air bubbles were generated from the gas discharge holes provided on the bottom of the device through the microchannel at the bottom of the device. There were 4 air discharge conditions of 30 μL/min, 100 μL/min, 200 μL/min, and 400 μL/min.
4) Based on the relationship between the state of the through-holes of the separator and the current value, changes in the current value indicate the destruction of the lipid bilayer membrane in the through-holes, the fragmentation of the droplet by bubbles, the detachment of the bubbles, and the lipid bilayer membrane. We observed and analyzed the reformation of The applied voltage was 50 mV. A well-known configuration described in
5) The rupture of the lipid bilayer membrane and ejection of air bubbles were repeated 30 times every minute, and observation and analysis were performed.
(2) 結果
図8に、空気の吐出速度と脂質二重膜の再形成率の関係を示す。30、100μL/minの空気吐出速度において最も高い再形成率97%を示すことが分かった。
(2) Results FIG. 8 shows the relationship between the air ejection speed and the lipid bilayer membrane reformation rate. It was found that the highest reformation rate of 97% was obtained at air ejection rates of 30 and 100 μL/min.
10 基板
12 セパレーター
14 第2のウェル
16 第1のウェル
18 貫通孔
20 液滴
22 液滴
30 ガス吐出孔
32 マイクロ流路
34 ポンプ
36 脂質単分子膜(一重膜)
38 制御壁
40 ウェル部
42 底部
44 マイクロ流路部
h 貫通孔18の中心から、第2のウェル14の底面までの距離
θ 中心角
10
38
Claims (12)
前記一対のウェルの少なくとも一方のウェルの底面に設けられたガス吐出孔と、
該ガス吐出孔にガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス吐出孔近傍に設けられ、前記ガス吐出孔から吐出される気泡が前記貫通孔から離れる方向に移動することを妨害する、気泡の移動方向を制御する制御壁とを具備する、脂質二重膜形成器具。 A lipid bilayer membrane forming device comprising a pair of wells adjacent to each other and having a bottom surface, and a separator separating the boundaries of these wells, the separator having through holes in which a lipid bilayer membrane is formed. There is
a gas ejection hole provided in the bottom surface of at least one of the pair of wells;
gas supply means for supplying gas to the gas discharge holes;
a control wall provided in the vicinity of the gas ejection hole for controlling the moving direction of the air bubble, which prevents the air bubble ejected from the gas ejection hole from moving in a direction away from the through hole. Membrane forming device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021155405A JP2023046682A (en) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021155405A JP2023046682A (en) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023046682A true JP2023046682A (en) | 2023-04-05 |
Family
ID=85778460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021155405A Pending JP2023046682A (en) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023046682A (en) |
-
2021
- 2021-09-24 JP JP2021155405A patent/JP2023046682A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Baaken et al. | Planar microelectrode-cavity array for high-resolution and parallel electrical recording of membrane ionic currents | |
CN109569458B (en) | Device for forming an array of volumes containing polar medium | |
JP5614642B2 (en) | Method for forming lipid bilayer membrane and instrument therefor | |
JP5235879B2 (en) | Formation of bilayers of amphiphilic molecules | |
US8124191B2 (en) | Method and apparatus for single side bilayer formation | |
Tsuji et al. | Droplet-based lipid bilayer system integrated with microfluidic channels for solution exchange | |
Sarles et al. | Physical encapsulation of droplet interface bilayers for durable, portable biomolecular networks | |
US20050196746A1 (en) | High-density ion transport measurement biochip devices and methods | |
WO2015079510A1 (en) | Current measurement device, current measurement method, and current measurement kit | |
JP6695450B2 (en) | Permeability imbalance method for bilayer formation | |
JP2019516952A (en) | Electrical promotion of double layer formation | |
Arrigan et al. | 3 BioanalyticalApplications of Electrochemistry | |
JP2022043254A (en) | Nanopore sequencers | |
US20050212095A1 (en) | Substrate and method for measuring the electrophysiological properties of cell membranes | |
Fayolle et al. | Rapid purification of giant lipid vesicles by microfiltration | |
JP2023046682A (en) | Instrument for forming lipid bilayer membrane and regeneration method of lipid bilayer membrane therewith | |
EP3365273A1 (en) | Use of fluoropolymers as a hydrophobic layer to support lipid bilayer formation for nanopore | |
JP2014100672A (en) | Formation method of lipid double membrane and instrument for the same | |
Wang et al. | Coarse-grained molecular dynamics simulation of tethered lipid assemblies | |
JP6376636B2 (en) | Lipid bilayer forming device | |
US20040005696A1 (en) | Substrate and method for measuring the electro-physiological properties of cell membranes | |
JP2014030382A (en) | Microfluidic device and method for forming lipid bilayer membrane | |
Frey et al. | Horizontal black lipid bilayer membranes for studying pore-forming toxins | |
JP6388497B2 (en) | Method for producing liposome population | |
JP5198369B2 (en) | Current measurement device using artificial lipid bilayer membrane |