JP3769622B2 - Artificial lipid membrane formation method and lipid planar membrane formation apparatus therefor - Google Patents
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Description
本発明は、脂質膜を形成するための方法及び装置に係り、より詳細には、膜タンパク質の機能及び活性の測定に用いられるのに適した脂質膜の形成方法と、その方法に適したチップ又はマイクロアレイに係る。 The present invention relates to a method and apparatus for forming a lipid membrane, and more particularly, a lipid membrane formation method suitable for use in measuring the function and activity of a membrane protein, and a chip suitable for the method. Or it concerns a microarray.
従来より、膜タンパク質やその他の生体膜上(又は膜の内外)に存在する生理活性物質(以下、「膜関連物質」とする。)の機能や活性を調べるために、人工的に脂質膜を構成し、その人工脂質膜に膜タンパク質等の膜関連物質を埋め込んで、それらの膜関連物質の電気特性や物質透過特性など種々の測定が行われている。また、膜関連物質の機能を種々のセンサとして利用すべく(バイオセンサ)、機能性を有する物質の土台として脂質膜を人工的に構成する試みも多くなされている。 Conventionally, in order to examine the function and activity of physiologically active substances (hereinafter referred to as “membrane-related substances”) present on membrane proteins and other biological membranes (or inside and outside the membrane), lipid membranes are artificially used. The membrane-related substances such as membrane proteins are embedded in the artificial lipid membrane, and various measurements such as electrical characteristics and substance permeation characteristics of these membrane-related substances are performed. In addition, many attempts have been made to artificially construct lipid membranes as a basis for functional substances in order to use the functions of membrane-related substances as various sensors (biosensors).
そのような測定のために及びバイオセンサの構築のために利用される人工脂質膜の一つとしては、所謂「黒膜」(又は「ブラックメンブレン(Black Membrane)」)が、伝統的によく知られている。黒膜は、簡単に述べれば、プラスチック板に小孔を設け、水溶液中で、脂質分子をn−デカンなどの有機溶媒に溶解したもの(脂質溶液)をプラスチック板の小孔に塗りつけることにより、小孔を覆う平面状の膜として形成されるものである。これは、脂質分子が水溶液中で自発的に脂質二重層膜を構成するという性質を利用したものである。その他の人工脂質膜としては、LB膜、リポソームなどが知られている。 One of the artificial lipid membranes used for such measurements and for the construction of biosensors is the so-called “black membrane” (or “Black Membrane”), which is traditionally well known. It has been. To put it simply, the black membrane is provided with a small hole in a plastic plate, and in an aqueous solution, a lipid molecule dissolved in an organic solvent such as n-decane (lipid solution) is applied to the small hole of the plastic plate, It is formed as a planar film covering the small holes. This utilizes the property that lipid molecules spontaneously form a lipid bilayer membrane in an aqueous solution. As other artificial lipid membranes, LB membranes, liposomes and the like are known.
上記の如き人工脂質膜を構成する方法又は装置、及び、それらの人工膜を利用する方法又は装置が種々提案され且利用されている。そのような例は、例えば、下記の特許文献1−5或いは非特許文献1−3に記載されている。イデ等は、蛍光顕微鏡下で膜タンパク質1分子を可視化しつつ、その分子の機能及び活性を測定するために、脂質平面膜をプラスチックシートに開けた小孔に形成し、その膜を顕微鏡の対物レンズの焦点面に平行に広がるように、即ち、膜表面が顕微鏡下で観察できる観察用チャンバを構成した。そして、その膜上の分子の動きを可視化しつつ膜の電気特性の測定を行った(非特許文献1、2参照)。また、特許文献5には、バイオセンサ等の応用を想定した脂質二重層アレイが提案されている。
上記の種々の形式の人工脂質膜のうち、黒膜は、両面が水相に面した(水中に膜のみで張られた)平面膜であり、膜の両側の水相に電極を配置するだけで、膜又はそこに埋め込まれた膜関連物質の電気的特性を測定することができ、又、任意の刺激に対する膜の応答を感知することができる。従って、膜関連物質の機能測定又はセンサの用途において、黒膜は、小胞状であるリポソームよりも、或いは、膜面の一方が基板に貼着された平面膜であるLB膜よりも構造的に有利である。また、上記の如く、黒膜は、水中の小孔に脂質溶液を適用するだけで自然に形成されるので、形成操作は、比較的単純である。 Among the various types of artificial lipid membranes described above, the black membrane is a planar membrane with both sides facing the aqueous phase (stretched only with the membrane in water), and only the electrodes are placed in the aqueous phase on both sides of the membrane. Thus, the electrical properties of the membrane or the membrane-related material embedded therein can be measured, and the response of the membrane to any stimulus can be sensed. Therefore, in the function measurement or sensor application of membrane-related substances, the black membrane is structurally more than a vesicle-like liposome or an LB membrane that is a planar membrane with one of its membrane surfaces attached to a substrate. It is advantageous. Further, as described above, since the black membrane is naturally formed by simply applying the lipid solution to the small pores in water, the forming operation is relatively simple.
しかしながら、従来の黒膜又は水中に張られた脂質膜の形成は、実際のところ、形成操作が単純であるが故に、熟練した技能を必要とし、又、常に、同一の状態の膜を形成することが極めて難しく、同じように形成操作を行ったとしても形成し損なう場合も多い。それは、小孔に脂質溶液を与える量やタイミングに微妙な調節が必要なためであり、現在のところ、例えば、上記のイデ等の方法の場合、膜の形成に成功した者から直接に操作を習得しなければ、成功裡に膜を形成することは困難となっている。 However, the formation of conventional black membranes or lipid membranes stretched in water actually requires skilled skills because of the simple formation operation, and always forms membranes in the same state. It is extremely difficult, and even if the forming operation is performed in the same manner, it often fails to form. This is because the amount and timing of giving the lipid solution to the small pores need to be finely adjusted. At present, for example, in the case of the above-mentioned method such as Ide, the operation is directly performed by a person who has successfully formed the membrane. Without mastery it is difficult to successfully form a film.
もし簡便な形成操作により、熟練した技術を要せず、この分野の通常の実験操作技術を有する者であれば誰でもが、安定的に、即ち、ばらつきが少なく、黒膜又は脂質平面膜を形成することができるようになれば、黒膜又は脂質平面膜は、より広範な実験や検査若しくはセンサ等の装置に利用可能となると考えられる。更に、黒膜又は脂質平面膜の安定的な形成が可能となれば、黒膜又は脂質平面膜をアレイ状に形成した試料標本、即ち、「脂質平面膜マイクロアレイ」又は「脂質平面膜チップ」を調製することも可能となると考えられ、光学顕微鏡や分光装置などを用いた種々の検査又は試験も行えるようになり、また、バイオセンサ等への応用も広範囲に且容易になると考えられる。 If it is a simple forming operation, no skill is required, and anyone who has ordinary experimental operation techniques in this field can stably, ie, have little variation, a black membrane or a flat lipid membrane. If it can be formed, it is considered that the black membrane or the planar lipid membrane can be used for a wider range of experiments, inspections, sensors, and other devices. Furthermore, if stable formation of a black membrane or a lipid flat membrane is possible, a sample specimen in which a black membrane or a lipid flat membrane is formed in an array, that is, a “lipid planar membrane microarray” or “lipid planar membrane chip” is prepared. It is considered that it can be prepared, and various inspections or tests using an optical microscope, a spectroscopic device, and the like can be performed, and application to biosensors and the like will be facilitated in a wide range.
従って、本発明の解決しようとする一つの課題は、熟練した技術を要せず、安定的に又は再現性よく黒膜又は水中に張られる脂質平面膜を形成できる新規な方法及びそのための装置を提供することである。 Therefore, one problem to be solved by the present invention is to provide a novel method and apparatus therefor that can form a black membrane or a lipid flat membrane stretched in water stably or reproducibly without requiring skill. Is to provide.
本発明のもう一つの課題は、上記の如き方法又は装置であって、光学顕微鏡又はその他の光学的な測定装置に容易に用いられる脂質平面膜の形成方法及びそのための装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method and apparatus as described above, and a method and apparatus for forming a lipid planar membrane that can be easily used in an optical microscope or other optical measuring apparatus. .
本発明のもう一つの課題は、脂質膜チップ若しくはマイクロアレイを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a lipid membrane chip or microarray.
本発明のもう一つの課題は、脂質膜チップ又は脂質膜マイクロアレイに於いて容易に且安定的に脂質膜を形成する方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for easily and stably forming a lipid membrane in a lipid membrane chip or a lipid membrane microarray.
上記の課題は、脂質平面膜を形成する方法であって、第一の室と、該第一の室から隔壁により隔離された第二の室とを設ける過程にして、隔壁には、第一の室と第二の室とを流体的に連通する少なくとも一つの小孔を設ける過程と、第一の室を第一の水溶液で満たし、第二の室を脂質を含有する有機溶液で満たし、小孔を介して第一の水溶液と有機溶液とを接触させる過程と、第二の室内の有機溶液を第二の水溶液に置換する過程とを含み、これにより小孔を覆う脂質平面膜を形成することを特徴とする方法により達成される。 The above-mentioned problem is a method of forming a lipid planar membrane, and in the process of providing a first chamber and a second chamber separated from the first chamber by a partition wall, Providing at least one small hole in fluid communication between the chamber and the second chamber, filling the first chamber with the first aqueous solution, and filling the second chamber with the organic solution containing lipid; It includes the process of contacting the first aqueous solution with the organic solution through the small pores and the step of replacing the organic solution in the second chamber with the second aqueous solution, thereby forming a planar lipid membrane covering the small pores. This is achieved by a method characterized by:
従前の黒膜の形成方法は、上記に簡単に述べた如く、水中にて小孔へ刷毛などで脂質溶液を塗りつける、又はピペットなどで与えるか、水槽の外で小孔へ脂質溶液を「適量」与え、しかる後に水中に小孔を沈めるというものであった。かかる方法では、脂質溶液の適用の仕方がばらつき、巧く膜を張るには、微妙な「技」を要し、かくして、形成された膜の性状もばらついて、安定的に膜を形成することを難しくしていたものと思われる。 The conventional method for forming a black membrane is, as described briefly above, by applying a lipid solution with a brush or the like to a small hole in water, or giving it with a pipette or the like. "And then submerge the small holes in the water." In such a method, the application method of the lipid solution varies, and in order to form a membrane skillfully, a delicate “technique” is required, and thus the properties of the formed membrane vary and a stable membrane can be formed. Seems to have made it difficult.
上記の本発明によれば、まず、第一の室と第二の室を、それぞれ、第一の水溶液と、脂質の含有した有機溶液、即ち、脂質溶液とで満たし、水溶液と脂質溶液とを小孔を介して接触させる。この時点で水溶液と脂質溶液との界面となる小孔にて、脂質分子が少なくとも単分子膜を形成するものと考えられる。その後、脂質溶液を第二の水溶液(第一の室に充填したものと同一であっても同一でなくともよい。)に置換することにより、脂質膜が自発的に形成されるようになる。かかる操作は、この分野の通常の実験技術を有する者であれば、容易に行うことができる。しかも、従前の如く小孔に塗りつけられるべき、脂質溶液の「適量」を調節する操作を行う必要がなく、かくして、形成される脂質膜の性状も従前に比してばらつきのないものとすることができる。なお、第一の室に脂質溶液を注入し、第二の室に水溶液を注入してもよいことは理解されるべきであり、「第一」及び「第二」という語は、本明細書において、二つの室を区別するために用いられているすぎず、互いに置換されることは理解されるべきであり、置換されて表現される発明は、全て本発明に属する(以下、同様)。 According to the present invention, first, the first chamber and the second chamber are respectively filled with the first aqueous solution and the lipid-containing organic solution, that is, the lipid solution, and the aqueous solution and the lipid solution are filled. Contact through a small hole. At this point, it is considered that the lipid molecules form at least a monomolecular film in the small pore that becomes the interface between the aqueous solution and the lipid solution. Thereafter, the lipid film is spontaneously formed by replacing the lipid solution with a second aqueous solution (which may or may not be the same as that filled in the first chamber). Such operations can be easily performed by those having ordinary experimental techniques in this field. Moreover, it is not necessary to adjust the “appropriate amount” of the lipid solution, which should be applied to the small holes as before, and thus the properties of the formed lipid membrane should be less varied than before. Can do. It should be understood that the lipid solution may be injected into the first chamber and the aqueous solution may be injected into the second chamber, and the terms “first” and “second” are used herein. It should be understood that the two chambers are merely used to distinguish the two chambers and are replaced with each other, and all the inventions expressed by substitution belong to the present invention (hereinafter the same).
上記の本発明の方法において、本発明者は、更に、第二の室内の有機溶液を第二の水溶液に置換する過程において、有機溶液を空気にて置換した後、第二の水溶液を第二の室内へ導入すると、より効率的に且安定的に小孔に形成できることを見出した。実験によれば、第二の室内を、脂質溶液又は有機溶液から、第二の水溶液へ直接置換するのではなく、一旦、空気に置き換えた後、水溶液を導入すると、より安定的な薄い脂質膜が形成されることが見出された。 In the method of the present invention, the inventor further replaces the organic solution with air in the process of replacing the organic solution in the second chamber with the second aqueous solution, and then converts the second aqueous solution to the second aqueous solution. It has been found that a small hole can be formed more efficiently and stably when introduced into the chamber. According to the experiment, the second chamber is not directly replaced with the second aqueous solution from the lipid solution or the organic solution, but when the aqueous solution is introduced after being replaced with air, a more stable thin lipid membrane is obtained. Was found to be formed.
更に、上記の本発明の方法において、第一の室を第一の流路の一部として構成し、第二の室を第二の流路の一部として構成してよい。このことにより、各室への溶液の導入及び室内の溶液又は空気の置換が容易にとなり、形成操作がより一層容易となる。また、従来では、脂質溶液を人の手で小孔へ与えなければならなかつたところ、流路を用いて室へ溶液又は空気を導入することにより、ポンプ等を用いて形成操作を自動化することも可能となる。 Furthermore, in the method of the present invention described above, the first chamber may be configured as a part of the first flow path, and the second chamber may be configured as a part of the second flow path. This facilitates introduction of the solution into each chamber and replacement of the solution or air in the chamber, thereby further facilitating the forming operation. In addition, in the past, a lipid solution had to be given to a small hole by a human hand, but the formation operation using a pump or the like was automated by introducing the solution or air into the chamber using a flow path. Is also possible.
上記の本発明の方法は、脂質平面膜を形成するための装置であって、第一の流路と、第二の流路にしてその少なくとも一部が実質的に平板状の隔壁を挟んで第一の流路の少なく一部と隣接して設けられている第二の流路とを含み、隔壁に前記第一の流路と第二の流路とを流体的に連通する少なくとも一つの小孔が貫通しており、これにより、第一及び第二の流路のうちの一方を水溶液で満たし、第一及び第二の流路のうちの他方に脂質を含有する有機溶液で満たすことにより、小孔を介して水溶液と有機溶液が接触可能となっており、しかる後に有機溶液を水溶液と置換することにより、小孔に脂質平面膜が形成可能となる装置によって実施することができる。なお、本発明の方法において構成される室に対応する部分は、第一及び第二の流路内の隔壁の小孔の近傍の部分であることは理解されるべきである。 The above-described method of the present invention is an apparatus for forming a lipid planar membrane, wherein the first channel and the second channel are at least partially sandwiched by a substantially flat partition wall. A second channel provided adjacent to at least a portion of the first channel, and at least one fluidly communicating the first channel and the second channel with a partition wall A small hole penetrates, whereby one of the first and second channels is filled with an aqueous solution, and the other of the first and second channels is filled with an organic solution containing lipid. Thus, the aqueous solution and the organic solution can be brought into contact with each other through the small pores, and thereafter, by replacing the organic solution with the aqueous solution, it can be carried out by an apparatus capable of forming a lipid planar membrane in the small pores. It should be understood that the portion corresponding to the chamber configured in the method of the present invention is a portion in the vicinity of the small holes of the partition walls in the first and second flow paths.
上記の本発明の装置によれば、人の手により流路へ溶液を流入させてもよいが、シリンジポンプなど、この分野においてカラム又はチャンバの溶液交換に、通常、用いられている送液用の機械器具を流路へ接続することにより、流速又は流量を制御しつつ、溶液又は空気の導入又は置換操作を行うことが可能となる。そして、上記の脂質膜形成装置は、シリンジポンプ等の機械器具を用いられれば、黒膜の如き脂質平面膜の自動且大量調製(形成)が可能となる。 According to the apparatus of the present invention described above, the solution may be flowed into the flow path by a human hand. However, for the solution delivery of the column or chamber usually used in this field, such as a syringe pump, By connecting the mechanical device to the flow path, it becomes possible to introduce or replace the solution or air while controlling the flow rate or flow rate. And if said lipid membrane formation apparatus uses mechanical instruments, such as a syringe pump, automatic and large-scale preparation (formation) of a lipid flat membrane like a black membrane will be attained.
また、本発明の方法及び装置において、脂質膜を形成する小孔を流路の途中に設けるという構成によれば、脂質膜の形成後に、脂質膜の面する水溶液の交換を極めて容易に且迅速に行うことができるようになる。そして、膜タンパク質(又は膜タンパク質を含むベシクル)やその他の膜関連物質を分散させた水溶液を流路に導入することにより、小孔に形成された脂質膜へ膜タンパク質その他の膜関連物質を付与する、即ち、「膜タンパク質を脂質膜へ埋め込む」ことも容易となる。 Further, in the method and apparatus of the present invention, according to the configuration in which a small hole for forming the lipid membrane is provided in the middle of the flow path, the aqueous solution facing the lipid membrane can be exchanged very easily and quickly after the lipid membrane is formed. To be able to do that. Then, by introducing an aqueous solution in which membrane proteins (or vesicles containing membrane proteins) and other membrane-related substances are dispersed into the channel, membrane proteins and other membrane-related substances are imparted to the lipid membrane formed in the small pores. In other words, it becomes easy to “embed a membrane protein in a lipid membrane”.
更に、上記の本発明の方法において、第一の室又は流路を第一の平板部材とそれに積層された第二の平板部材との間に設け、第二の室又は流路を第二の部材とそれに積層された第三の平板部材との間に設け、第二の平板部材の少なくとも一部に隔壁を構成し、小孔を第二の平板部材の一方の面から他方の面へを貫通するよう設けるようにしてよい。このようにすることで、脂質膜の膜面は、第一乃至第三の積層された平面部材の面に平行に構成されることとなる。そうすると、例えば、光学顕微鏡のステージに載置することが可能となり、しかも膜面を対物レンズにより観察することができるようになる。 Further, in the method of the present invention described above, the first chamber or flow path is provided between the first flat plate member and the second flat plate member laminated thereon, and the second chamber or flow path is provided in the second flat plate member. Provided between the member and the third flat plate member laminated on it, a partition is formed on at least a part of the second flat plate member, and a small hole extends from one surface of the second flat plate member to the other surface. You may make it provide so that it may penetrate. By doing in this way, the membrane | film | coat surface of a lipid membrane will be comprised in parallel with the surface of the 1st thru | or 3rd laminated | stacked planar member. If it does so, it will become possible to mount on the stage of an optical microscope, for example, and also a film surface can be observed now with an objective lens.
従って、本発明の脂質平面膜を形成するための装置においては、第一の流路が第一の平板部材とそれに積層された第二の平板部材との間に設けられ、第二の流路が第二の部材とそれに積層された第三の平板部材との間に設けられ、第二の平板部材の少なくとも一部が隔壁を構成し、小孔が第二の平板部材の一方の面から他方の面へを貫通するよう設けるよう構成されてよい。そして、更に、膜上の現象を光学的に捉えるために、第一及び第三の平板部材の少なくとも一方が透明な材料で形成されてよい。 Therefore, in the apparatus for forming a planar lipid membrane of the present invention, the first flow path is provided between the first flat plate member and the second flat plate member laminated thereon, and the second flow path is provided. Is provided between the second member and the third flat plate member laminated thereon, at least a part of the second flat plate member constitutes a partition, and the small hole is formed from one surface of the second flat plate member. You may comprise so that it may penetrate to the other surface. Furthermore, in order to optically capture the phenomenon on the film, at least one of the first and third flat plate members may be formed of a transparent material.
更に、本発明の方法において注目されるべき特徴は、小孔のそれぞれに個別に脂質溶液を与える必要はないということである。本発明によれば、上記の隔壁に、複数の小孔を設けることにより、一度に、それぞれの小孔に複数の脂質膜を調製することが可能である。そして、それらの小孔は、任意に隔壁に設けられてよい。従って、隔壁において、小孔を、例えば、格子状に配列するなどして、即ち、アレイ状に配列すれば、所謂「脂質膜マイクロアレイ」又は「脂質膜チップ」を構成することができる。かくして、本発明の装置においては、隔壁に小孔が複数個設けられていてよく、又、複数の小孔がアレイ状に配列されていてよい。その場合、第一及び第二の流路の一方又は両方に、隣接する小孔を互いに流体的に隔離するための手段が設けられて良い。そうすると、それぞれの小孔について、そこに形成された脂質膜に接する水溶液が互いに混合しない独立の系を構成することが可能となり、小孔毎に、独立に実験又は計測を行うことができるので有利である。また、脂質膜チップの調製後又は調製とともに、脂質膜へ膜タンパク質を埋め込めば、「膜タンパク質チップ」又は「膜タンパク質マイクロアレイ」を調製することもできる。 Furthermore, a feature to be noted in the method of the present invention is that it is not necessary to provide each individual pore with a lipid solution. According to the present invention, by providing a plurality of small holes in the partition wall, it is possible to prepare a plurality of lipid membranes in each small hole at a time. And those small holes may be provided in the partition arbitrarily. Therefore, if the small holes are arranged in a lattice shape in the partition wall, for example, an array shape, a so-called “lipid membrane microarray” or “lipid membrane chip” can be formed. Thus, in the apparatus of the present invention, the partition wall may be provided with a plurality of small holes, and the plurality of small holes may be arranged in an array. In that case, one or both of the first and second flow paths may be provided with means for fluidly isolating adjacent small holes from each other. Then, for each small hole, it becomes possible to constitute an independent system in which the aqueous solution in contact with the lipid membrane formed therein does not mix with each other, and it is advantageous because experiments or measurements can be performed independently for each small hole. It is. Further, a “membrane protein chip” or a “membrane protein microarray” can be prepared by embedding a membrane protein in the lipid membrane after or together with the preparation of the lipid membrane chip.
また、本発明で形成される脂質膜は、両面が水相に面する黒膜と同様の態様で構成されているので、第一及び第二の流路内のそれぞれに少なくとも一つの電極を付設し、小孔を挟んで膜に電圧を印加できるようになっていてよい。脂質膜に膜タンパク質等の膜関連物質を埋め込めば、それらの膜関連物質の電気的特性又は応答を測定することも可能となる。その場合、複数個の小孔のそれぞれに対し一対の電極が設けられ(一方の電極は、共通であってもよいことは理解されるべきである)、第一及び第二の流路の一方又は両方に、隣接する小孔を互いに電気的に絶縁するための手段が設けられていると有利である。そうすれば、小孔毎に独立に膜へ電気的な刺激を与えたり、又は、電気的な応答を検出したりすることが可能となり、一つのチップで同時に異なる測定が行えるようになる(チップのマルチチャンネル化)。 Further, since the lipid membrane formed in the present invention is configured in the same manner as the black membrane whose both faces the aqueous phase, at least one electrode is attached to each of the first and second flow paths. In addition, a voltage may be applied to the film with the small hole interposed therebetween. If a membrane-related substance such as a membrane protein is embedded in the lipid membrane, it becomes possible to measure the electrical characteristics or response of those membrane-related substances. In that case, a pair of electrodes is provided for each of the plurality of small holes (it should be understood that one electrode may be common) and one of the first and second flow paths. It is advantageous if both or both are provided with means for electrically insulating adjacent small holes from each other. By doing so, it becomes possible to apply electrical stimulation to the membrane independently for each small hole or to detect an electrical response, and to perform different measurements simultaneously with one chip (chips). Multi-channel).
本発明の方法及び装置により調製される脂質膜は、この分野の通常の知識を有する者の理解され得る範囲で、任意の大きさにて形成することができるが、例えば、膜上の膜関連物質の、一分子観察などの分子レベルの機能又は応答の測定等が為される場合には、マイクロメートルオーダーの大きさにて形成されてよい。そのような場合、本発明の装置における流路、室等の構造は、半導体回路の製造に用いられるマイクロ加工技術を有利に採用することができる。特に、本発明者は、小孔の形成に際して、隔壁としてシリコン板を用い、シリコン板をその結晶方向に沿ってエッチングすると、小孔に適した、例えば、縁にテーパーを有する構造を形成することができることを見出した。勿論、本発明の隔壁及び小孔は、その他の手法で構成されてよく、それらの全ては、本発明に含まれると理解されるべきである。 The lipid membrane prepared by the method and apparatus of the present invention can be formed in any size as long as it can be understood by those having ordinary knowledge in this field. When measuring a molecular level function or response of a substance such as single molecule observation, it may be formed in a size of micrometer order. In such a case, the structure of the flow path, the chamber, etc. in the apparatus of the present invention can advantageously employ a micro processing technique used for manufacturing a semiconductor circuit. In particular, the present inventor uses a silicon plate as a partition when forming a small hole, and etching the silicon plate along its crystal direction forms a structure suitable for the small hole, for example, having a taper at the edge. I found out that I can. Of course, the partition walls and small holes of the present invention may be configured in other ways, all of which should be understood to be included in the present invention.
更に、小孔の縁の表面を積極的に疎水的にすると、よりよく脂質膜が形成されることが見出された。その際、小孔の縁及びその近傍、或いは隔壁全体を疎水性処理する際には、パリレン等の疎水性被覆が有利に用いられてよい。 Furthermore, it has been found that the lipid membrane is better formed when the edge surface of the stoma is aggressively hydrophobic. At that time, when the edge of the small hole and the vicinity thereof or the whole partition wall is subjected to hydrophobic treatment, a hydrophobic coating such as parylene may be advantageously used.
近時、タンパク質やDNAなどの生理活性物質或いは細胞を、それらの機能や活性を調べるために、「マイクロアレイ」又は「チップ」、即ち、基板上にマイクロメートルオーダーの間隔にて生理活性物質を固定した試料標本の開発が試みられている。チップ化した試料標本は、特定の病気若しくは疾患についての迅速かつ精度の高い診断手段としての利用も期待されている。しかしながら、現在のところ、膜タンパク質等の、膜に埋め込まれなければ活性の発現しない膜関連物質については、チップ化した標本は、殆ど提案されておらず、実用化にいたっていない。その理由の一つは、前述の如く、安定的に黒膜又は平面膜を形成することが難しく、従って、黒膜又は平面膜をアレイ状に配列する、又は、チップ化するといったことが非常に困難であったことである。 Recently, in order to examine the functions and activities of physiologically active substances such as proteins and DNA or cells, the "microarray" or "chip", that is, the physiologically active substances are fixed on the substrate at intervals of micrometer order. Attempts have been made to develop such specimens. The sample specimen prepared as a chip is also expected to be used as a rapid and accurate diagnostic means for a specific disease or disease. However, at present, as for membrane-related substances such as membrane proteins that do not exhibit activity unless embedded in a membrane, a sample prepared as a chip has hardly been proposed and has not been put into practical use. One of the reasons is that, as described above, it is difficult to stably form a black film or a flat film, and therefore it is very difficult to arrange the black film or the flat film in an array or to form a chip. It was difficult.
本発明によれば、従来の黒膜の調製方法の如く小孔に適用される脂質溶液の適量を調節するといった、実験者の手によって直接に調節する操作や、その他の熟練した技能を要せずに、安定的に或いは再現性よく黒膜又は平面膜を形成することが可能である。そして、隔壁に小孔を複数設けておけば、一度の形成操作によって、複数の脂質膜を形成することも可能であり、従って、脂質膜をアレイ状に配列した、脂質膜チップの調製も可能となる。 According to the present invention, it is necessary to perform an adjustment directly by an experimenter's hand, such as adjusting an appropriate amount of a lipid solution applied to a small hole as in the conventional method for preparing a black membrane, and other skilled skills. It is possible to form a black film or a flat film stably or with good reproducibility. If a plurality of small holes are provided in the partition wall, a plurality of lipid membranes can be formed by a single forming operation. Therefore, a lipid membrane chip in which lipid membranes are arranged in an array can be prepared. It becomes.
下記の実施態様の欄においては、本発明の装置としては、主として、光学顕微鏡での観察用のプレパラートの形態が記載されるが、本発明は、その他の形式の試料標本にも適用可能であることは理解されるべきである。下記の実施例では、膜面、即ち、小孔が水平に置かれ、光学顕微鏡の対物レンズの焦点面に平行に置かれて、膜面が対物レンズを通して観察できるようになっているが、本発明の装置は、例えば、分光器の試料として、膜面が垂直になるように構成されてもよく、そのような装置は、本発明の範囲に属すると解されるべきである。 In the column of the embodiment described below, the apparatus of the present invention mainly describes the form of a preparation for observation with an optical microscope, but the present invention can also be applied to other types of sample specimens. That should be understood. In the following embodiment, the film surface, that is, the small hole is placed horizontally and parallel to the focal plane of the objective lens of the optical microscope so that the film surface can be observed through the objective lens. The apparatus of the invention may be configured so that the film surface is vertical, for example as a spectroscopic sample, and such an apparatus should be understood to be within the scope of the present invention.
本発明の方法及び装置において特記すべきことは、脂質膜が張られる小孔を流路の途中又は流路の一部を構成する室に設けることにより、小孔の両面における溶液の置換が容易となり、より一層、脂質膜の形成が容易となっている点である。かかる特徴によれば、流路にシリンジポンプ等の機器を接続し、それらの機器により溶液交換を行うようにシステムを構成することにより、脂質膜の形成を自動化することができ、脂質膜チップの大量生産も可能となるであろう。そして、脂質膜の形成後においても、脂質膜の両側の溶液の交換が非常に簡単であるので、膜関連物質を含有するベシクル又はリポソームの溶液を流路内に流通させることにより、脂質膜に膜関連物質を埋め込むことも可能となり、かくして、例えば、膜タンパク質をアレイ状に配列した「膜タンパク質チップ」の調製が可能となる。 What should be noted in the method and apparatus of the present invention is that it is easy to replace the solution on both sides of the small hole by providing a small hole in which the lipid membrane is stretched in the middle of the flow path or a chamber constituting a part of the flow path. Thus, formation of a lipid membrane is further facilitated. According to such a feature, it is possible to automate the formation of the lipid membrane by connecting a device such as a syringe pump to the flow path and configuring the system to perform solution exchange with these devices. Mass production will also be possible. Even after the formation of the lipid membrane, the exchange of the solution on both sides of the lipid membrane is very simple. Therefore, the solution of the vesicle or liposome containing the membrane-related substance is circulated in the flow channel, so that the lipid membrane It is also possible to embed a membrane-related substance, and thus, for example, a “membrane protein chip” in which membrane proteins are arranged in an array can be prepared.
更に、本発明の装置においては、実施形態の欄に例示される如く、マイクロ加工技術等を用いてマイクロ流路を構成することにより、アレイ状に配列された脂質膜又は膜関連物質を含む脂質膜を流体的に隔離し又は電気的に絶縁することが可能である。このことにより、アレイ状の脂質膜をそれぞれ独立した系として構成することができ、一つのチップで異なる実験又は計測できるようになる、即ち、チップのマルチチャンネル化が達成される。 Furthermore, in the apparatus of the present invention, as exemplified in the column of the embodiment, a lipid containing a lipid membrane or membrane-related substances arranged in an array by configuring a microchannel using a microfabrication technique or the like. The membrane can be fluidly isolated or electrically isolated. As a result, the arrayed lipid membranes can be configured as independent systems, and different experiments or measurements can be performed with one chip, that is, multi-channeling of the chip is achieved.
膜タンパク質等の膜関連物質は、実際の細胞において、細胞内外の物質輸送や情報伝達に於ける多くの重要な現象に、或いは、種々の特有の病気又は疾患に関与していることがわかっている。かかる膜関連物質をアレイ状に配列してチップ化することにより、膜関連物質についての、今までにない検査若しくは試験、或いは、従前では検出し得なかった病気又は疾患の診断が可能となる。また、膜タンパク質等の膜関連物質は、既存の半導体素子等にはない有用な機能を有している可能性もある。本発明は、かかる膜タンパク質等の膜関連物質の機能活性測定及び解析のためのハイスループットの検出ツールとして、或いは、膜タンパク質等膜関連物質の機能を利用した新規な装置として、例えば、超高感度膜タンパク質分析装置、超高感度・多チャンネル創薬スクリーニング装置、超高感度イオンセンサーなどとして利用可能である。 Membrane-related substances such as membrane proteins have been found to be involved in many important phenomena in substance transport and information transmission inside and outside cells, or in various specific diseases or diseases in actual cells. Yes. By arranging such membrane-related substances in an array and forming a chip, it becomes possible to perform an unprecedented examination or test of the membrane-related substances, or diagnosis of diseases or diseases that could not be detected before. In addition, a membrane-related substance such as a membrane protein may have a useful function not found in existing semiconductor elements. The present invention can be used as a high-throughput detection tool for measuring and analyzing the functional activity of membrane-related substances such as membrane proteins, or as a novel apparatus utilizing the functions of membrane-related substances such as membrane proteins. It can be used as a sensitive membrane protein analyzer, ultra-sensitive multi-channel drug screening device, ultra-sensitive ion sensor, etc.
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the figure, the same reference numerals indicate the same parts.
脂質平面膜形成装置 図1及び図2A−Eには、本発明の脂質平面膜を形成する方法に従って、脂質膜を形成することのできる脂質平面膜形成装置10であって、特に光学顕微鏡下において、観察されるよう構成されたプレパラートの形態を有する装置の模式図が例示されている。脂質平面膜形成装置10は、平坦な上板12と、下板14と、それらの間に挟持される中板16とから構成されている。上板12と下板14とは、任意のガラス、プラスチック、金属などから形成されていてよい。光学顕微鏡等その他の光学的な機器により、脂質膜を観察して膜上に見られる現象又は機能等の測定を行う場合には、上板12及び下板14は、全体が、又は、以下に説明する小孔の近傍のみが、透明な材料で形成されていることが好ましい。 The planar lipid membrane forming apparatus Figures 1 and 2A-E, according to the method of forming a lipid planar membrane of the present invention, there is provided a planar lipid bilayer forming apparatus 10 which is capable of forming a lipid membrane, in particular under an optical microscope A schematic diagram of an apparatus having the form of a slide configured to be observed is illustrated. The lipid flat film forming apparatus 10 includes a flat upper plate 12, a lower plate 14, and an intermediate plate 16 sandwiched between them. The upper plate 12 and the lower plate 14 may be formed from any glass, plastic, metal, or the like. When the lipid membrane is observed with another optical instrument such as an optical microscope to measure a phenomenon or a function seen on the membrane, the upper plate 12 and the lower plate 14 are either as a whole or below. It is preferable that only the vicinity of the small hole to be described is formed of a transparent material.
中板16には、第一の流路18と、第二の流路20と、隔壁22とが形成され、隔壁22には、少なくとも一つの小孔24が穿孔されている。以下に説明するように、小孔24に脂質平面膜が形成されることとなる。中板16は、上板12及び下板14と同様の材料で形成されてもよいが、流路や隔壁等の構造を形成することのできるマイクロ加工技術の分野において利用されている任意の材料であることが好ましい。第一の流路18は中板16の下側に、第二の流路20は中板16の上側に、それぞれ溝状に形成され、中板16が下板14及び上板12の間に挟持されることにより、流体を流通させられる通路を構成する。各々の流路の両端には、流路内への溶液の導入を容易にするために、任意にチューブ等が接続できるよう管継手26、28が設けられ、図示していない送液ポンプへ接続可能となっていてよい。流路の断面形状や幅及び深さ等の寸法は、任意に定められてよいが、装置10が、光学顕微観察用のプレパラートとして構成される場合、幅及び深さは、ミリメートル若しくはサブミリメートルのオーダーであってよい。図示の如く、追加的に、流路には枝流路21及び管継手29が設けられてよい。この場合、空気を含む種々の流体を順々に流通させる場合に有利である。 The intermediate plate 16 is formed with a first flow path 18, a second flow path 20, and a partition wall 22, and at least one small hole 24 is drilled in the partition wall 22. As will be described below, a flat lipid membrane is formed in the small holes 24. The intermediate plate 16 may be formed of the same material as the upper plate 12 and the lower plate 14, but any material used in the field of micromachining technology capable of forming a structure such as a flow path or a partition wall. It is preferable that The first flow path 18 is formed in a groove shape on the lower side of the middle plate 16 and the second flow path 20 is formed on the upper side of the middle plate 16, and the middle plate 16 is interposed between the lower plate 14 and the upper plate 12. By being pinched, a passage through which a fluid is circulated is formed. In order to facilitate the introduction of the solution into the flow path, pipe joints 26 and 28 are provided at both ends of each flow path so that a tube or the like can be connected arbitrarily, and is connected to a liquid feed pump (not shown). It may be possible. The cross-sectional shape, width, and depth of the channel may be arbitrarily determined. However, when the apparatus 10 is configured as a preparation for optical microscopic observation, the width and depth are in millimeters or submillimeters. It can be an order. As shown, a branch channel 21 and a pipe joint 29 may additionally be provided in the channel. In this case, it is advantageous when various fluids including air are circulated sequentially.
第一の流路18と第二の流路20とは、それぞれ、互いに併設されて隔壁22により仕切られた第一の室30及び第二の室32とを含む。隔壁22には、上記の如く小孔24が穿孔され、かくして、第一の流路18と第二の流路20、又は、第一の室26及び第二の室28とは、小孔を介して流体的に連通する。図1及び図2A−Cの例では、隔壁22に3つの小孔が設けられているが、小孔は、一つであってもよく、又、任意に、例えば、格子状に配列されていてもよい(図2E参照)。小孔の形状及び大きさは、任意に選択されてよい。例えば、以下に詳細に説明される如き実施例における実験の条件においては、よりよく安定的に脂質膜を形成される小孔の径は数十μmから百数十μmの範囲であった。小孔の形状については、図示の如く、好ましくは、小孔の縁に内方へ向かってテーパー36aが設けられる。また、小孔の縁の表面は、好ましくは、疎水的であることが好ましく、該表面を疎水性にするために疎水性物質により任意に被覆が施されていて良い。 The first flow path 18 and the second flow path 20 each include a first chamber 30 and a second chamber 32 that are provided side by side and partitioned by a partition wall 22. The partition wall 22 is perforated with small holes 24 as described above. Thus, the first flow path 18 and the second flow path 20, or the first chamber 26 and the second chamber 28, have small holes. Through fluid communication. In the example of FIGS. 1 and 2A-C, the partition wall 22 has three small holes. However, the small hole may be one, and is arbitrarily arranged, for example, in a lattice pattern. (See FIG. 2E). The shape and size of the small holes may be arbitrarily selected. For example, under the experimental conditions in Examples as will be described in detail below, the diameter of the small holes that form the lipid membrane better and stably was in the range of several tens to several hundreds of μm. As shown in the drawing, the shape of the small hole is preferably provided with a taper 36a inward at the edge of the small hole. Further, the surface of the edge of the small hole is preferably hydrophobic, and may be optionally coated with a hydrophobic substance in order to make the surface hydrophobic.
図1及び図2A−Dの例では、第一及び第二の室30、32の大きさは、それぞれ、第一及び第二の流路18、20の幅と同一となっているが、室の部分のみ任意の大きさであってもよい。しかしながら、後に説明されるように、室内の溶液交換が効率よくなされるためには、流路の幅と同一か若しくは小さい方が好ましいであろう。 In the example of FIGS. 1 and 2A-D, the size of the first and second chambers 30, 32 is the same as the width of the first and second flow paths 18, 20, respectively. Only the portion may be of any size. However, as will be described later, in order to efficiently exchange the solution in the room, it is preferable that the width is equal to or smaller than the width of the flow path.
更に、装置10の小孔24の近傍若しくは室に、脂質膜の電気特性又は電気的応答を検出するために電極34、36が設けられていてよい。電極は、小孔ごとに一対ずつ設けられていてもよく、室全体に対して一対設けられるようになっていてもよい。電極の数又は形状及び寸法は、当業者において、実験又は測定の目的によって任意に選択されてよく、それらの全てが本発明の範囲に属することは理解されるべきである。 Furthermore, electrodes 34, 36 may be provided in the vicinity or chamber of the small hole 24 of the device 10 to detect the electrical properties or electrical response of the lipid membrane. A pair of electrodes may be provided for each small hole, or a pair of electrodes may be provided for the entire chamber. It should be understood that the number or shape and dimensions of the electrodes may be arbitrarily selected by those skilled in the art according to the purpose of experimentation or measurement, all of which fall within the scope of the present invention.
また、隔壁22に複数の小孔が設けられている場合には、隣接した小孔に形成された脂質膜を流体的に隔離し、或いは、電気的に絶縁して、独立の系を構成するべく、小孔毎に第一及び第二の流路を流体的又は電気的に遮断する手段が設けられてよい。かかる手段の構成は、以下に説明する。 Further, when a plurality of small holes are provided in the partition wall 22, the lipid membrane formed in the adjacent small holes is fluidically isolated or electrically insulated to constitute an independent system. Therefore, means for fluidly or electrically shutting off the first and second flow paths may be provided for each small hole. The configuration of such means will be described below.
図示の例は、脂質膜の形成される室と流路とが一体的に形成されている。しかしながら、図示していないが、装置10に第一及び第二の室のみを構成し、室に流体の出入口を設け、チューブ等で構成された流路が室の出入口に接続されるよう構成されてもよく、そのような装置も本発明の範囲に属する。 In the illustrated example, the chamber in which the lipid membrane is formed and the flow path are integrally formed. However, although not shown in the figure, the apparatus 10 includes only the first and second chambers, the chamber is provided with a fluid inlet / outlet, and a flow path constituted by a tube or the like is connected to the chamber inlet / outlet. Such devices may also fall within the scope of the present invention.
脂質平面膜形成装置の製造方法 上記の本発明の装置10の、特に、中板16は、以下の如く、マイクロ加工技術(非特許文献4参照)により有利に形成することができる。特に、小孔24の好適な形状は、シリコン板をその結晶方向にエッチングすることにより、形成することができる。かかる方法によれば、小孔の形状は、シリコンの結晶により定められることになるので、同一の形状を有する小孔を形成することが容易となり、極めて有利である。以下、図3を参照して、中板16の形成過程を説明する。 Method for Producing Lipid Planar Film Forming Device In particular, the intermediate plate 16 of the above-described device 10 of the present invention can be advantageously formed by micromachining technology (see Non-Patent Document 4) as follows. In particular, a suitable shape of the small holes 24 can be formed by etching a silicon plate in the crystal direction. According to such a method, since the shape of the small hole is determined by the silicon crystal, it is easy to form the small hole having the same shape, which is extremely advantageous. Hereinafter, the process of forming the intermediate plate 16 will be described with reference to FIG.
(a)シリコンウェハ38の両表面を熱で酸化してSiO2膜40を形成した後、ICP−RIEエッチングにより、図において下側のシリコン板の表面に小穴42(約50μm幅、約200μm深さ)を形成する(図3A)。 (A) After both surfaces of the silicon wafer 38 are oxidized by heat to form the SiO 2 film 40, a small hole 42 (about 50 μm wide, about 200 μm deep) is formed in the surface of the lower silicon plate in the figure by ICP-RIE etching. ) Is formed (FIG. 3A).
(b)S1830フォトレジストをスピンコーター(MIKASA SPINNER IH-D2)を用いて3000rpm 90秒にてスピンコーティング、即ち、回転させて薄く一様にコートし、次いで、紫外線を照射し、小穴を形成した面の流路及び室のパターンを感光し、レジストのエッチャントで紫外線の当たったところのレジストを除去する。かくして、流路と室に対応する表面のレジストが除去される。 (B) S1830 photoresist was spin-coated at 3000 rpm 90 seconds using a spin coater (MIKASA SPINNER IH-D2), that is, rotated and uniformly coated thinly, and then irradiated with ultraviolet rays to form small holes. The pattern of the flow path and the chamber on the surface is exposed, and the resist exposed to ultraviolet rays is removed with a resist etchant. Thus, the resist on the surface corresponding to the flow path and the chamber is removed.
(c)SiO2をBHF(バッファードふっ酸)でエッチングし(図3B)、更に、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液中で反応させると、Siだけが結晶方向に沿ってエッチングされ、小穴が形成された部位には、ピラミッドの形状の窪み44が形成される(図3C)。 (C) When SiO 2 is etched with BHF (buffered hydrofluoric acid) (FIG. 3B) and further reacted in a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution, only Si is etched along the crystal direction, resulting in small holes. A depression 44 having a pyramid shape is formed in the portion where the is formed (FIG. 3C).
(d)次いで、図にて上側の面において、ICP−RIEエッチングにより、流路と室とが形成され、ピラミッド形状の窪みとなった小穴部位は、貫通し、縁にテーパーを有する小孔24が形成される(図3D)。 (D) Next, in the upper surface in the drawing, the flow path and the chamber are formed by ICP-RIE etching, and the small hole portion that is a pyramidal depression penetrates and has a small hole 24 having a taper at the edge. Is formed (FIG. 3D).
(e)その後、シリコンが剥き出しなった表面を酸化し、更に、疎水性物質にて、酸化された表面を被覆する(図3E)。疎水性被覆46は、例えば、パリレン(Specialty coating systems)薄膜が好適であるが、その他の当業者において任意に選択し得る物質による被覆であってよい。 (E) Thereafter, the surface from which silicon is not exposed is oxidized, and further, the oxidized surface is covered with a hydrophobic substance (FIG. 3E). The hydrophobic coating 46 is preferably, for example, a thin film of Parylene (Specialty coating systems), but may be a coating with a material that can be arbitrarily selected by those skilled in the art.
(f)しかる後、上板12及び下板14にて中板16を挟持するよう固定する。固定には、ガラス接着剤SU−8等48が用いられて良い。その際、電極も同時に固定されてよい(図3F)。 (F) After that, the upper plate 12 and the lower plate 14 are fixed so as to sandwich the intermediate plate 16. For fixing, glass adhesive SU-8 or the like 48 may be used. At that time, the electrodes may be fixed at the same time (FIG. 3F).
上記の製作においては、中板16のみに流路等の構造を形成したが、任意に上板及び下板にも同様の成形加工が施されてよく、そのような構成を有する装置も本発明の範囲に属すると理解されるべきである。 In the above production, a structure such as a flow path is formed only on the middle plate 16, but a similar molding process may be optionally applied to the upper plate and the lower plate, and an apparatus having such a configuration is also included in the present invention. Should be understood as belonging to the scope of
シリコンの結晶方向にエッチングすることにより形成された小孔の電子顕微鏡像が、図4(A)、(B)に例示されている(図4(C)は、図4(B)の模式図である。) Electron microscopic images of small holes formed by etching in the crystal direction of silicon are illustrated in FIGS. 4A and 4B (FIG. 4C is a schematic diagram of FIG. 4B). .)
脂質平面膜の形成方法 本発明による脂質平面膜の形成方法は、図1及び図2の装置により以下の手順により、成功裡に行うことができる。ただし、本発明の概念及び範囲を逸脱することなく、他の装置によっても本発明の方法が実施可能であることは理解されるべきであり、かかる他の装置を用いた脂質膜の形成方法も本発明の範囲に含まれると理解されるべきである。 Method for Forming Lipid Planar Membrane The method for forming a lipid planar membrane according to the present invention can be successfully performed by the apparatus shown in FIGS. 1 and 2 according to the following procedure. However, it should be understood that the method of the present invention can be carried out by other devices without departing from the concept and scope of the present invention, and a lipid membrane forming method using such other devices is also possible. It should be understood that it is within the scope of the present invention.
本発明による脂質平面膜の形成は、以下の如く行われる。 Formation of the planar lipid membrane according to the present invention is performed as follows.
(a)第一の流路18へ任意の水溶液50が管継手26より注入され、第一の室30に充填される。好ましくは、水溶液は、少なくとも小孔の先縁にくるまで導入される。一方、第二の流路20へは、脂質を溶解した有機溶液、即ち、脂質溶液52が管継手28より注入され、第二の室32に充填される(図5A)。脂質溶液も、好ましくは、少なくとも小孔の先縁にくるまで導入され、かくして、水溶液と脂質溶液とは、小孔に接触した状態となる。上記溶液の注入は、シリンジポンプなどの送液用ポンプが任意に用いられてよい。 (A) An arbitrary aqueous solution 50 is injected into the first flow path 18 from the pipe joint 26 and filled in the first chamber 30. Preferably, the aqueous solution is introduced until at least the leading edge of the small hole. On the other hand, an organic solution in which lipid is dissolved, that is, a lipid solution 52, is injected into the second channel 20 from the pipe joint 28 and filled in the second chamber 32 (FIG. 5A). The lipid solution is also preferably introduced at least until it is at the leading edge of the small pore, thus bringing the aqueous solution and lipid solution into contact with the small pore. For the injection of the solution, a liquid pump such as a syringe pump may be arbitrarily used.
水溶液は、脂質膜を形成後に行われる実験又は測定に用いられる水溶液であってもよく、また、別のものであってもよい。脂質溶液は、任意のリン脂質、糖脂質など、常温で脂質二重層を形成し得る脂質が、n−デカン、クロロホルムなど、この分野の当業者が黒膜を形成するために用いている任意の有機溶媒に溶解したものであってよい。脂質は、アゾレクチンなどの天然物から抽出した脂質であってもよく、また、ジフィタノイルフォスファチジルコリンなどの合成脂質であってよい。脂質の濃度は、例えば、数十mg/mlであってよく、好ましくは、約20mg/mlである。 The aqueous solution may be an aqueous solution used for experiments or measurements performed after forming the lipid film, or may be another. The lipid solution may be any phospholipid, glycolipid, or any other lipid that can form a lipid bilayer at room temperature, such as n-decane and chloroform, used by those skilled in the art to form a black membrane. It may be dissolved in an organic solvent. The lipid may be a lipid extracted from a natural product such as azolectin, or may be a synthetic lipid such as diphytanoylphosphatidylcholine. The lipid concentration may be, for example, several tens of mg / ml, and preferably about 20 mg / ml.
(b)次いで、第二の流路20及び第二の室32の脂質溶液を、第二の流路へ空気54を注入することにより排出する。この時点において、図5Bに示されている如く、小孔の水溶液の界面には、脂質溶液の一部が残留する。 (B) Next, the lipid solution in the second channel 20 and the second chamber 32 is discharged by injecting air 54 into the second channel. At this point, as shown in FIG. 5B, a part of the lipid solution remains at the interface of the small pore aqueous solution.
(c)次いで、第二の流路20へ水溶液56が注入されて空気54を押し出し(図5C)、第二の流路20及び第二の室32が脂質溶液から空気を介して水溶液に置換される(図5D)。そうすると、小孔24には、模式的に描かれている如く、脂質平面膜58が形成される。水溶液を流入する際の流速は、使用者により任意に設定されてよく、例えば、数十μm/sであってよい。流量は、流路の断面積と流速により定められる。 (C) Next, the aqueous solution 56 is injected into the second channel 20 to push out the air 54 (FIG. 5C), and the second channel 20 and the second chamber 32 are replaced with the aqueous solution from the lipid solution through the air. (FIG. 5D). As a result, a planar lipid membrane 58 is formed in the small hole 24 as schematically illustrated. The flow rate when the aqueous solution is introduced may be arbitrarily set by the user, and may be several tens of μm / s, for example. The flow rate is determined by the cross-sectional area of the flow path and the flow velocity.
上記の(b)の過程において、脂質溶液は、水溶液により押し出されるよう操作が行われてもよいが、本発明者の実験によれば、一度、空気に置換すると、より安定に脂質膜が形成されることが見出された。 In the process of (b) above, the lipid solution may be manipulated to be pushed out by an aqueous solution, but according to the experiments of the present inventors, once replaced with air, a lipid membrane is more stably formed. It was found that
脂質膜の形成方法に於いて好適に脂質膜を形成するための種々の条件、例えば、水溶液の流速及び流量等は、脂質溶液の組成、水溶液のイオン強度、浸透圧等により変動するので、安定的に脂質膜を調製するために、初めに好適な条件を調べるための試行形成が行われる。しかしながら、本発明の方法及び装置によれば、操作は、水溶液の流速等を調節するのみで、例えば、従前の脂質膜の方法の如く、操作者の技能的な操作がないため、一旦、好適な条件が定まれば、それ以後、同一の条件の下、安定的に脂質膜を調製可能となることは理解されるべきである。また、隔壁上に複数の小孔を設けることにより、上記(a)−(c)の過程を一度行うことにより、多数の脂質膜が形成され、脂質膜マイクロアレイが形成されることとなる。 Various conditions for forming a lipid membrane in the method for forming a lipid membrane, such as the flow rate and flow rate of an aqueous solution, vary depending on the composition of the lipid solution, the ionic strength of the aqueous solution, the osmotic pressure, etc. In order to prepare a lipid membrane, a trial formation is first performed to examine suitable conditions. However, according to the method and apparatus of the present invention, the operation is performed only by adjusting the flow rate or the like of the aqueous solution. For example, unlike the conventional lipid membrane method, there is no operator's technical operation. It is to be understood that once such conditions are determined, lipid membranes can be stably prepared under the same conditions. In addition, by providing a plurality of small holes on the partition wall, a number of lipid membranes are formed by performing the steps (a) to (c) once, and a lipid membrane microarray is formed.
更に、脂質膜の形成後、膜タンパク質を含むリポソーム又は細胞から得た生体膜を小胞化したベシクル等を含む溶液を第一又は第二の流路へ注入することにより、小孔に形成された脂質膜と接触させ、膜タンパク質又は膜関連物質を脂質膜に取り込むようにすることが可能である。 Furthermore, after the lipid membrane was formed, a liposome containing membrane protein or a solution containing vesicles obtained by vesicle formation of a biological membrane obtained from a cell was injected into the first or second channel to form pores. It is possible to bring the membrane protein or membrane-related substance into the lipid membrane by contacting with the lipid membrane.
第一及び第二の流路を小孔毎に遮断する構成 隔壁に小孔が複数設けられている場合、形成された脂質膜のそれぞれが流体的に又は電気的に独立した系を構成するよう流路を遮断する手段が図6に示されている。 When a plurality of small holes are provided in the partition wall that blocks the first and second flow paths for each small hole, each of the formed lipid membranes forms a fluidly or electrically independent system. Means for blocking the flow path is shown in FIG.
図6(A)及び(B)は、第一及び第二の流路のいずれか一方又は両方において、小孔を流体的に又は電気的に遮断するための構成及びその方法の一つの実施形態が示されている。同図から理解される如く、流路には、隣接する小孔の間の壁のそれぞれに、流路を遮断する物質を注入する副流路60が設けられる。流路を遮断する物質は、典型的には、空気62であってよいが、その他の水溶液と混合しない任意の有機溶媒等であってよい。 FIGS. 6A and 6B illustrate one embodiment of a configuration and method for fluidly or electrically blocking small holes in either or both of the first and second flow paths. It is shown. As understood from the figure, the channel is provided with a sub-channel 60 for injecting a substance that blocks the channel into each of the walls between the adjacent small holes. The substance that blocks the flow path may typically be air 62, but may be any organic solvent that does not mix with other aqueous solutions.
小孔毎の流路の遮断は、図6(A)に示されている如く、図5に関連して説明された脂質膜の形成方法により、一連の小孔に脂質膜が形成された後、図6(B)に示されている如く、空気等の遮断物質を流路内に注入することにより達成される。 As shown in FIG. 6 (A), the flow path for each small hole is blocked after the lipid film is formed in a series of small holes by the lipid film formation method described in relation to FIG. As shown in FIG. 6B, this is achieved by injecting a blocking substance such as air into the flow path.
図6(C)は、小孔毎の流路の遮断のためのもう一つの実施形態を例示しており、この実施形態においては、電極34又は36とは別に、隣接する小孔の間において、流路内に又は流路の側部に、気泡発生用電極64が設けられる。この実施形態においては、上記の脂質膜の形成方法により、各小孔に脂質膜を形成した後、気泡発生用電極に電流を流し、気泡を流路中の水溶液に気泡70を発生させる。かかる気泡70により、図示の如く、流路は、小孔毎に流体的に又は電気的に遮断されることとなる。気泡発生のメカニズムは、(1)ジュール熱による発泡又は(2)水の電気分解により水素気泡発生のいずれであってもよい。 FIG. 6C illustrates another embodiment for blocking the flow path for each small hole, and in this embodiment, between the adjacent small holes, apart from the electrode 34 or 36. The bubble generating electrode 64 is provided in the channel or on the side of the channel. In this embodiment, after the lipid membrane is formed in each small hole by the above-described lipid membrane formation method, an electric current is passed through the bubble generating electrode to generate bubbles 70 in the aqueous solution in the flow path. By the bubbles 70, as shown in the figure, the flow path is blocked fluidly or electrically for each small hole. The bubble generation mechanism may be either (1) foaming by Joule heat or (2) hydrogen bubble generation by water electrolysis.
理解されるべきことは、上記の遮断手段は、第一及び第二の流路の各々に設けられることが好ましいが、脂質膜は、金属イオンや水溶性物質に対しては、実質的に非透過性を示すので、実験又は計測によっては、第一又は第二の流路のいずれか一方のみ遮断されれば十分である場合があり、そのような構成も本発明に含まれる。 It should be understood that the blocking means is preferably provided in each of the first and second flow paths, but the lipid membrane is substantially non-conductive to metal ions and water-soluble substances. Since it shows permeability, it may be sufficient to block only one of the first and second flow paths depending on the experiment or measurement, and such a configuration is also included in the present invention.
かくして、小孔に形成された脂質膜は、互いに流体的に又は電気的に遮断され、それぞれが独立系を構成し、これにより、個々の脂質膜の化学的反応の計測又は電気的計測が可能となる。なお、上記の流路の遮断操作は、膜タンパク質等が脂質膜に導入される場合は、かかる膜タンパク質等の導入操作の後に行われる。 Thus, the lipid membranes formed in the small pores are fluidly or electrically interrupted from each other, and each constitutes an independent system, thereby allowing measurement of chemical reactions or electrical measurement of individual lipid membranes. It becomes. In addition, when the membrane protein or the like is introduced into the lipid membrane, the above-described channel blocking operation is performed after the introduction of the membrane protein or the like.
上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。 In order to verify the effectiveness of the present invention described above, the following experiment was conducted. It should be understood that the following examples illustrate the effectiveness of the present invention and do not limit the scope of the present invention.
脂質平面膜の形成 上記の装置10を用い、本発明の脂質平面膜の形成方法の手順により、小孔24に脂質平面膜を形成した。脂質は、大豆由来のリン脂質であるアゾレクチン(Sigma Chemicals社)を用い、有機溶媒としてn−デカンに溶解し、脂質濃度は、20mg/mlとした。水溶液は、0.1MKCl、0.1M グルコースを用いた。第二の流路に充填した脂質溶液を空気にて追い出した後、水溶液を第二の水溶液を注入する際には、シリンジポンプ KDS−200(KDサイエンティフィック社 米国)を用いた。 Formation of a planar lipid membrane Using the apparatus 10 described above, a planar lipid membrane was formed in the small holes 24 by the procedure of the method for forming a planar lipid membrane of the present invention. Azolectin (Sigma Chemicals), a phospholipid derived from soybean, was dissolved in n-decane as an organic solvent, and the lipid concentration was 20 mg / ml. As the aqueous solution, 0.1 M KCl and 0.1 M glucose were used. The syringe solution KDS-200 (KD Scientific USA) was used to inject the second aqueous solution after the lipid solution filled in the second flow channel was purged with air.
装置10の流路及び室の幅は、500μmであり、深さは、約100μmとした。隔壁の厚さは、約100μmであり、小孔の口径は、約130μmとした。膜の形成過程は、光学顕微鏡(IX−71 オリンパス光学)にて、対物レンズ40倍を用いて観察した。 The width of the flow path and chamber of the apparatus 10 was 500 μm, and the depth was about 100 μm. The partition wall thickness was about 100 μm, and the aperture of the small holes was about 130 μm. The formation process of the film was observed with an optical microscope (IX-71 Olympus optics) using an objective lens of 40 times.
図7(a)は、脂質溶液を第二の室から追い出した後(図5(B)参照)の小孔の状態の顕微鏡像である。図7(b)は、図5(C)に示す如く、第二の室に水溶液を導入する過程の顕微鏡像である。図7(c)は、形成された脂質平面膜の顕微鏡像であり、小孔の中央部の概ね円形の部分にイデ等の文献(非特許文献1、2参照)と同様の脂質二重層膜が形成されたことが確認された。(小孔の周囲に観察される半透明の不規則な形状の物体は、脂質の塊である。) FIG. 7A is a microscopic image of the state of small pores after the lipid solution has been expelled from the second chamber (see FIG. 5B). FIG. 7B is a microscopic image of the process of introducing the aqueous solution into the second chamber as shown in FIG. FIG. 7 (c) is a microscopic image of the formed lipid planar membrane, and a lipid bilayer membrane similar to the literature (see Non-Patent Documents 1 and 2) such as Ide et al. It was confirmed that was formed. (The translucent irregularly shaped objects observed around the small pores are lipid masses.)
以上の説明は、本発明の実施の態様に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易になされることは、理解されるべきであり、本発明は、上記に例示された実施態様のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは理解されるであろう。 Although the above description has been made in connection with the embodiments of the present invention, it should be understood that many modifications and changes can be easily made by those skilled in the art. It will be understood that the invention is not limited to the embodiments illustrated in FIG. 1 and applies to various devices without departing from the inventive concept.
10…脂質平面膜形成装置
12…上板
14…下板
16…中板
18…第一の流路
20…第二の流路
22…隔壁
24…小孔又は小孔のアレイ
26、28、29…管継手
30…第一の室
32…第二の室
34、36…電極
38…シリコンウェハ
40…酸化シリコン膜
42…小穴
46…疎水性被覆
50、56…水溶液
52…脂質溶液
54…空気
58…脂質平面膜
60…副流路
62…遮断物質(空気)
64…気泡発生用電極
70…気泡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Lipid plane membrane formation apparatus 12 ... Upper board 14 ... Lower board 16 ... Middle board 18 ... 1st flow path 20 ... 2nd flow path 22 ... Septum 24 ... Small hole or array of small holes 26, 28, 29 ... Pipe joint 30 ... First chamber 32 ... Second chamber 34, 36 ... Electrode 38 ... Silicon wafer 40 ... Silicon oxide film 42 ... Small hole 46 ... Hydrophobic coating 50, 56 ... Aqueous solution 52 ... Lipid solution 54 ... Air 58 ... Plate lipid membrane 60 ... Sub-channel 62 ... Blocking substance (air)
64 ... Bubble generating electrode 70 ... Bubble
Claims (17)
第一の室と、該第一の室から隔壁により隔離された第二の室とを設ける過程にして、前記隔壁には、前記第一の室と前記第二の室とを流体的に連通する少なくとも一つの小孔を設ける過程と、
前記第一の室を第一の水溶液で満たし、前記第二の室を脂質を含有する有機溶液で満たし、前記小孔を介して前記第一の水溶液と前記有機溶液とを接触させる過程と、
前記第二の室内の有機溶液を第二の水溶液に置換する過程と
を含み、これにより前記小孔を覆う脂質平面膜を形成することを特徴とする方法。 A method for forming a planar lipid membrane comprising:
In the process of providing a first chamber and a second chamber separated from the first chamber by a partition, the first chamber and the second chamber are in fluid communication with the partition. Providing at least one small hole,
Filling the first chamber with a first aqueous solution, filling the second chamber with an organic solution containing lipids, and contacting the first aqueous solution and the organic solution through the small holes;
Replacing the organic solution in the second chamber with a second aqueous solution, thereby forming a planar lipid membrane covering the small pores.
17. The apparatus according to claim 16, wherein at least one of the first and third flat plate members is formed of a transparent material, and is configured so that a small hole can be observed with an optical microscope.
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