JP4734542B2 - Method and apparatus for measuring membrane transport function of membrane transport molecule using artificial bilayer membrane - Google Patents

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Description

本発明は、人工二分子膜を用いた膜輸送分子(例えば、薬剤排出トランスポーターなどの膜輸送タンパク質)の機能測定方法およびその測定装置に係り、特に、その生体膜輸送機能、およびインヒビター(阻害薬)等への応答を詳細に定量計測するものである。   The present invention relates to a function measuring method of a membrane transport molecule using an artificial bilayer membrane (for example, a membrane transport protein such as a drug efflux transporter) and a measurement apparatus thereof, and more particularly to its biomembrane transport function and an inhibitor (inhibition). The response to the drug) is quantitatively measured in detail.

細胞膜上で、細胞内外のイオンや化学物質の濃度調整、または信号伝達を担っているタンパク質群があり、これらは膜タンパク質と呼ばれている。そのなかで、イオンを輸送するイオンチャンネルなどの活性は、電気生理学的手法(膜電位・膜電流計測)によって計測することができる。
また、人工脂質二重膜の形成とそれを使用した応用に係る提案が下記の特許文献2〜4になされている。
On the cell membrane, there are proteins that are responsible for adjusting the concentration of ions and chemical substances inside and outside the cell, or for signal transmission, and these are called membrane proteins. Among them, the activity of an ion channel or the like that transports ions can be measured by an electrophysiological method (membrane potential / membrane current measurement).
In addition, the following Patent Documents 2 to 4 propose the formation of an artificial lipid bilayer membrane and the application using the same.

なお、細胞膜を直接小孔に押し当てた後に破砕し、細胞質を溶出させた後に膜を通過した基質が小孔内に蓄積していく様子をイメージングした先行研究が存在する(下記非特許文献1)。また、マイクロ(ナノ)チャンバー群の底面のみに、全反射顕微鏡のエバネッセント場を発生させ、一分子レベルでの高感度の検出を行うという点でも先行研究が存在する(下記特許文献1参照)。   In addition, there is a prior study that images a state in which a cell membrane is directly pressed against a small hole and then crushed and the cytoplasm is eluted, and then the substrate passing through the membrane accumulates in the small hole (Non-Patent Document 1 below). ). In addition, there is a prior study in that an evanescent field of a total reflection microscope is generated only on the bottom surface of a micro (nano) chamber group and high-sensitivity detection is performed at a single molecule level (see Patent Document 1 below).

また、下記非特許文献1の発明者等にかかる同様の提案が下記非特許文献2〜5に報告されている。
特開2004−163122号公報 特開2005−083765号公報 特開2005−091305号公報 特開2005−091308号公報 R.Peters,Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct.,2003,32:47−67 Nikolai I.Kiskin et.al Biophysical Journal Volume 85 October 2003 pp.2311−2322 M.TSCHODRICH−ROTTER & R.Peters,Journal of Microscopy,vol.192,Pt 2,November 1998,pp.114−125 R.Peters,Traffic 2005;6:pp.199−204,Blackwell Munksgaard R.Peters,Traffic 2005;6:pp.421−427,Blackwell Munksgaard
Similar proposals to the inventors of Non-Patent Document 1 below are reported in Non-Patent Documents 2 to 5 below.
JP 2004-163122 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-083765 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-091305 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-091308 R. Peters, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. , 2003, 32: 47-67. Nikolai I. Kiskin et. al Biophysical Journal Volume 85 October 2003 pp. 2311-2322 M.M. TSCHODRICH-ROTTER & R.T. Peters, Journal of Microscopy, vol. 192, Pt 2, November 1998, pp. 114-125 R. Peters, Traffic 2005; 6: pp. 199-204, Blackwell Munksgaard R. Peters, Traffic 2005; 6: pp. 421-427, Blackwell Munksgaard

しかしながら、上記した非特許文献1では、ポリマーシートに自然に存在する小孔を利用しており、体積のコントロールが精密になされないこと、生細胞膜に発現している膜タンパク質をそのまま使用しているため、ターゲットのタンパク質のほかに雑多なタンパク質が存在することになり、タンパク一分子レベルでの計測は不可能であること、などの問題がある。   However, in the non-patent document 1 described above, small pores that naturally exist in the polymer sheet are used, the volume is not precisely controlled, and membrane proteins expressed in the living cell membrane are used as they are. Therefore, there are various proteins other than the target protein, and there is a problem that it is impossible to measure at the protein single molecule level.

このように、化学物質や薬剤などを輸送する膜輸送タンパク質(トランスポーターという)の信頼性のある定量的解析手法は、存在していないのが現状である。
そこで、本発明は、上記状況に鑑みて、微細加工したマイクロチャンバーアレイと、膜タンパク質を組み込んだ人工二分子膜を組み合わせて、膜タンパク質の輸送効率を蛍光イメージングにより定量解析するための、人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法およびその測定装置を提供することを目的とする。
As described above, there is no reliable quantitative analysis method for membrane transport proteins (transporters) that transport chemical substances and drugs.
Therefore, in view of the above situation, the present invention is an artificial bilayer for quantitatively analyzing the transport efficiency of a membrane protein by fluorescence imaging by combining a microfabricated micro-chamber array and an artificial bilayer membrane incorporating a membrane protein. It is an object of the present invention to provide a method for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using a molecular membrane and a measurement apparatus therefor.

本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法において、ガラス基板上に形成したマイクロチャンバーに人工二分子膜を押付け、上面が前記人工二分子膜で閉じられた微小領域を形成し、前記人工二分子膜に膜輸送分子としての膜タンパク質を再構成し、前記人工二分子膜の上側に蛍光物質を付加した基質の溶液を加えて、前記膜タンパク質によって前記人工二分子膜を通過させ輸送した前記基質を前記微小領域内に蓄積させ、この蓄積された基質の濃度を前記ガラス基板の下方に配置した共焦点顕微鏡による蛍光イメージングにより高感度・高S/N比で検出し、前記膜タンパク質が前記基質を輸送する効率を計測することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a method for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using an artificial bilayer membrane, a minute region in which an artificial bilayer membrane is pressed against a microchamber formed on a glass substrate and the upper surface is closed by the artificial bilayer membrane forming a said artificial bilayer membrane in reconstituted membrane proteins as membrane transport molecules, the addition of a solution of substrate was added to the fluorescent substance on the upper side of the artificial bilayer membrane, the membrane proteins Thus the artificial two the substrate which is transported and passed through a molecular film is accumulated in the small area, high sensitivity and high S / N ratio by the accumulated confocal microscopy by fluorescence imaging the concentrations of the substrate were placed below the glass substrate And measuring the efficiency of transporting the substrate by the membrane protein .

〕上記〔1〕記載の人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法において、前記微小領域が体積fL(フェムトリットル)〜pL(ピコリットル)であることを特徴とする。
〕人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定装置において、ガラス基板上に形成されたマイクロチャンバーと、このマイクロチャンバーに押付けられる人工二分子膜と、上面が前記人工二分子膜で閉じられた微小領域と、前記人工二分子膜に再構成される膜輸送分子としての膜タンパク質と、前記人工二分子膜の上側に加えられる蛍光物質を付加した基質の溶液と、前記ガラス基板の下方に配置される共焦点顕微鏡とを備え、前記膜タンパク質によって前記人工二分子膜を通過させ輸送した前記基質を前記微小領域内に蓄積させ、この蓄積された基質の濃度を前記共焦点顕微鏡による蛍光イメージングにより高感度・高S/N比で検出し、前記膜タンパク質が前記基質を輸送する効率を計測することを特徴とする。
[ 2 ] The method for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using the artificial bilayer membrane according to [1] above, wherein the microregion is a volume fL (femtoliter) to pL (picoliter). .
[ 3 ] In a membrane transport function measuring apparatus for membrane transport molecules using an artificial bilayer membrane, a microchamber formed on a glass substrate, an artificial bilayer membrane pressed against the microchamber, and an upper surface of the artificial bilayer A microregion closed by a membrane, a membrane protein as a membrane transport molecule reconstituted in the artificial bilayer membrane, a substrate solution to which a fluorescent substance added to the upper side of the artificial bilayer membrane is added, and the glass a confocal microscope is disposed below the substrate, the substrate was transported by passing the artificial bilayer membrane by the membrane protein is accumulated in the small area, said co-concentration of the accumulated substrates It is detected with high sensitivity and high S / N ratio by fluorescence imaging using a focus microscope, and the efficiency of transporting the substrate by the membrane protein is measured .

〕上記〔〕記載の人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定装置において、前記微小領域が体積fL(フェムトリットル)〜pL(ピコリットル)であることを特徴とする。 [ 4 ] In the apparatus for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using the artificial bilayer membrane according to [ 3 ] above, the microregion is a volume fL (femtoliter) to pL (picoliter). .

トランスポーターなどの膜輸送タンパク質は、細胞膜における免疫反応や薬剤応答などに深くかかわっているため、医学的・薬学的にも非常に重要性が高い。例えば、薬剤排出ABCトランスポーターと呼ばれる膜タンパク質群は、抗がん剤を細胞外に排出してしまうため、これらを不活性化させるインヒビターなどの研究が必要不加欠である。本発明は、これらのタンパク質の機能・性質を詳細に解明するのに寄与することができ、その効果は著大である。   Membrane transport proteins such as transporters are very important for medical and pharmaceutical purposes because they are deeply involved in immune reactions and drug responses in cell membranes. For example, a group of membrane proteins called drug excretion ABC transporters excrete anticancer agents out of the cells, and thus research on inhibitors that inactivate them is necessary. The present invention can contribute to elucidating the functions and properties of these proteins in detail, and the effect is remarkable.

より具体的には、本発明によれば、マイクロ加工した微小チャンバーアレイ、膜タンパク質を組み込んだ人工二分子膜を組み合わせて、それらの膜タンパク質の輸送効率を蛍光イメージングにより定量解析することにより、膜タンパク質一分子レベルの超高感度の計測を行うことができる。   More specifically, according to the present invention, by combining a microfabricated microchamber array and an artificial bilayer membrane incorporating a membrane protein, the transport efficiency of those membrane proteins is quantitatively analyzed by fluorescent imaging, It is possible to perform ultra-sensitive measurement at the protein single molecule level.

本発明の人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法は、ガラス基板上に形成したマイクロチャンバーに人工二分子膜を押付け、上面が前記人工二分子膜で閉じられた微小領域を形成し、前記人工二分子膜に膜輸送分子としての膜タンパク質を再構成し、前記人工二分子膜の上側に蛍光物質を付加した基質の溶液を加えて、前記膜タンパク質によって前記人工二分子膜を通過させ輸送した前記基質を前記微小領域内に蓄積させ、この蓄積された基質の濃度を前記ガラス基板の下方に配置した共焦点顕微鏡による蛍光イメージングにより高感度・高S/N比で検出し、前記膜タンパク質が前記基質を輸送する効率を計測するMembrane transport function measuring how the membrane transport molecules using artificial bilayer membrane of the present invention, pressing an artificial bilayer membrane to the micro chamber formed on a glass substrate, the upper surface is closed by the artificial bilayer membrane micro forming a region, the artificial bilayer membrane in reconstituted membrane proteins as membrane transport molecules, the addition of a solution above the substrate by adding a fluorescent substance of the artificial bilayer membrane, thus the artificial to the membrane protein bilayer allowed to pass to accumulate the substrate which is transported into the micro region, high sensitivity and high S / N by the accumulated confocal microscopy by fluorescence imaging the concentrations of the substrate were placed below the glass substrate The ratio is detected and the efficiency with which the membrane protein transports the substrate is measured .

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明の実施例を示す人工二分子膜の機能測定装置の断面模式図、図2は図1のA部拡大図である。
これらの図において、1はガラス基板(カバーガラス)、2はガラス基板1上に配置される小孔2Aが形成されたパリレン樹脂からなるマイクロチャンバーアレイ、3Aは上部チャンバー4内部に溜められた基質溶液(バッファ液)、3Bは上部チャンバー4外部に溜められた基質溶液(バッファ液)、4はマイクロチャンバーアレイ2上にセットされた漏斗型の上部チャンバー、5はその漏斗型の上部チャンバー4の下部に形成された開口、6はその開口5にセットされた、トランスポーター9が組み込まれた人工二分子膜(人工脂質二重膜)、7はその上部チャンバー4内にセットされる電極、8はその上部チャンバー4の外部の基質溶液3Bにセットされるアース電極、9は人工二分子膜6に組み込まれたトランスポーター、10は上部チャンバー4の内部の基質溶液3A内に含まれる蛍光物質、11は電極7とアース電極8との間に接続される増幅器、12はその増幅器11に接続されるオシロスコープ、13は対物レンズ、14はレーザー装置(図示なし)から照射され、対物レンズ13を介してマイクロチャンバーアレイ2の底部にエバネッセント場を生成させるレーザーである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an artificial bilayer membrane function measuring apparatus showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of part A of FIG.
In these figures, 1 is a glass substrate (cover glass), 2 is a microchamber array made of parylene resin with small holes 2A arranged on the glass substrate 1, and 3A is a substrate stored in the upper chamber 4 Solution (buffer solution), 3B is a substrate solution (buffer solution) stored outside the upper chamber 4, 4 is a funnel-type upper chamber set on the microchamber array 2, and 5 is a funnel-type upper chamber 4. An opening formed in the lower portion, 6 is an artificial bimolecular membrane (artificial lipid bilayer membrane) incorporating a transporter 9 set in the opening 5, 7 is an electrode set in the upper chamber 4, 8 above ground electrodes is set outside the substrate dissolved solution 3 B of the upper chamber 4, transporters incorporated in artificial bilayer membrane 6 9, 10 A fluorescent substance contained in the substrate solution 3A inside the partial chamber 4 , 11 is an amplifier connected between the electrode 7 and the ground electrode 8, 12 is an oscilloscope connected to the amplifier 11, 13 is an objective lens, 14 Is a laser that is irradiated from a laser device (not shown) and generates an evanescent field at the bottom of the microchamber array 2 via the objective lens 13.

ここで、上部チャンバー4の下部に設けられた人工脂質二重膜6を、ガラス基板1上に形成したマイクロチャンバーアレイに押付ける。すると、小孔2Aの上面が人工脂質二重膜6で閉じられ、微小領域(体積fL〜pL程度)4Aが形成される。人工脂質二重膜6にはトランスポーター9が再構成されているため、上部チャンバー4内の、蛍光物質10によって蛍光ラベルされた基質は、トランスポーター9によって人工脂質二重膜6を通過し輸送される。輸送された蛍光物質10によってラベルされた基質は下側の微小領域4A内に蓄積されるため、微小領域4A内の基質濃度急速に上昇し、基質の濃度を蛍光イメージングにより検出できる。 Here, the artificial lipid bilayer membrane 6 provided in the lower part of the upper chamber 4 is pressed against the microchamber array 2 formed on the glass substrate 1. Then, the upper surface of the small hole 2A is closed by the artificial lipid bilayer membrane 6, and a micro region (volume fL to about pL) 4A is formed. Since the transporter 9 is reconstituted in the artificial lipid bilayer membrane 6, the substrate fluorescently labeled with the fluorescent substance 10 in the upper chamber 4 passes through the artificial lipid bilayer membrane 6 by the transporter 9 and is transported. Is done. For labeled by transportation fluorescent material 10 substrate accumulated in the bottom of the minute regions 4A, the substrate concentration in the micro-region 4A is rising rapidly, the concentration of the substrate can be detected by fluorescence imaging.

すなわち、本発明では、マイクロチャンバーアレイを用いて、膜タンパク質(例えば、イオンポンプおよびトランスポーター)を通して人工平面脂質二重膜を横切る膜輸送を光学的に検出する。ここで、パリレン樹脂からなるマイクロチャンバーは、ホトリソグラフィを用いてカバーガラス上に形成される。
本発明によれば、人工脂質二重膜を利用しているため、通常の生細胞膜に発現した膜タンパク質を用いる手法に比べ、ターゲットの膜タンパク質の純粋な機能を一分子レベルで計測することができる。また、人工脂質二重膜を通過して輸送された基質は、通常ならば拡散してしまうため検出が困難であるが、マイクロチャンバーを用いることにより微小領域に蓄積されるため、高感度で検出でき、膜タンパク質が基質を輸送する効率を例えば、ATP濃度依存性、基質濃度依存性、インヒビターの効果などとして詳細に計測することができる。
That is, in the present invention, a microchamber array is used to optically detect membrane transport across an artificial planar lipid bilayer through membrane proteins (eg, ion pumps and transporters). Here, the microchamber made of parylene resin is formed on the cover glass using photolithography.
According to the present invention, since the artificial lipid bilayer membrane is used, it is possible to measure the pure function of the target membrane protein at a single molecule level as compared with a method using a membrane protein expressed in a normal living cell membrane. it can. In addition, the substrate transported through the artificial lipid bilayer is usually difficult to detect because it diffuses, but it can be detected with high sensitivity because it accumulates in a small region by using a microchamber. The efficiency with which the membrane protein transports the substrate can be measured in detail as , for example, ATP concentration dependency, substrate concentration dependency, inhibitor effect, and the like.

これまでに、このような膜タンパク質の機能を詳細に計測できる実験系は存在していない。本発明では、イメージングの手法として、共焦点顕微鏡や全反射顕微鏡といった高感度・高S/N比の蛍光観察手法・装置を利用することが可能であるため、蛍光一分子レベルでの検出が可能となる。
図3は本発明の実施例を示すガラス基板(カバーガラス)上に作製されたパリレン樹脂からなるマイクロチャンバーを示す図であり、図3(a)は直径20μmで深さ3μm、図3(b)は直径10μmで深さ3μmのマイクロチャンバーが示されている。
Until now, there is no experimental system that can measure the function of such a membrane protein in detail. In the present invention, it is possible to use a fluorescence observation technique / device with high sensitivity and high S / N ratio, such as a confocal microscope or a total reflection microscope, as an imaging technique. It becomes.
Figure 3 is a diagram showing a micro-chamber comprising a fabricated parylene resin on a glass substrate (cover glass) showing an embodiment of the present invention, the depth 3μm in diameter 20μm in FIG. 3 (a), 3 ( in b) shows the micro-chamber depth 3μm in diameter 10 [mu] m.

マイクロチャンバーは、ガラス基板(カバーガラス)上に堆積されたパリレンを、酸素プラズマアッシングでパターニングして作製されている。
図4は本発明の平面脂質二重膜を形成するための上部チャンバーとその開口を示す図であり、図4(a)は平面脂質二重膜を形成するための上部チャンバーを、図4(b)はその上部チャンバーの底に形成された開口を示す図である。
The microchamber is manufactured by patterning parylene deposited on a glass substrate (cover glass) by oxygen plasma ashing.
FIG. 4 is a view showing an upper chamber for forming a planar lipid bilayer membrane of the present invention and its opening, and FIG. 4 (a) shows an upper chamber for forming a planar lipid bilayer membrane as shown in FIG. b) is a view showing an opening formed in the bottom of the upper chamber.

本実施例では、マイクロチャンバーの直径は数十μm、深さは数μmである。そして、PMMAプラスチックよりなる上部チャンバーの底部に形成された150μmの開口に、平面脂質二重膜が形成される。上部チャンバーはバッファ液〔この実験においては、10mM MOPS(硫酸モルフォリノプロパン)+100mM KCl〕で満たされている。さらに、PC(フォスファチジルコリン:中性リン脂質)を含む数μLの溶媒〔5mg PC/1mL n−デカン(decane:C1022 飽和脂肪族炭化水素の一つ);以下、脂質溶液という〕が開口上に添加される。ここで、上部チャンバー内のバッファ液レベルを調整することで平面脂質二重膜が自然に形成される。なお、上部チャンバーの開口が上部チャンバーの底面よりも低く作られることによって、基板への押し付けが容易になる(図1及び図4参照)。 In this embodiment, the microchamber has a diameter of several tens of μm and a depth of several μm. Then, a planar lipid bilayer is formed in an opening of 150 μm formed at the bottom of the upper chamber made of PMMA plastic. The upper chamber is filled with a buffer solution (in this experiment 10 mM MOPS (morpholinopropane sulfate) +100 mM KCl). Furthermore, several μL of a solvent containing PC (phosphatidylcholine: neutral phospholipid) [5 mg PC / 1 mL n-decane (decane: one of C 10 H 22 saturated aliphatic hydrocarbons); hereinafter referred to as lipid solution ] Is added over the openings. Here, a planar lipid bilayer is naturally formed by adjusting the buffer solution level in the upper chamber. Note that the opening of the upper chamber is made lower than the bottom surface of the upper chamber, so that the pressing to the substrate is facilitated (see FIGS. 1 and 4).

図5は本発明の上部チャンバーの開口に形成された平面脂質二重膜と、それをマイクロチャンバーに押し付けた状態を示す図であり、図5(a)は上部チャンバーの開口に形成された脂質二重膜を、図5(b)はその脂質二重膜をマイクロチャンバーに押し付けた状態を示す図である。脂質二重膜をガラスやパリレンなどの基板上に直接押し付けると割れてしまうため、本実施例では、親水性のリン脂質ポリマー(2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンポリマー、またはMPCポリマー)でチャンバー基板をコーティングしている。このようなポリマー材料で基板を覆うと、脂質二重膜が基板に直接接触せず、押付け後も脂質二重膜の分子構造がこわれない。アガロースやPEG(ポリエチレングリコール)、デキストランなどの分子でも同様の効果が報告されている。   FIG. 5 is a diagram showing a planar lipid bilayer membrane formed in the opening of the upper chamber of the present invention and a state in which it is pressed against the microchamber, and FIG. 5 (a) is a lipid formed in the opening of the upper chamber. FIG. 5 (b) is a diagram showing a state in which the bilayer membrane is pressed against the microchamber. In this example, the lipid bilayer membrane is cracked when pressed directly onto a substrate such as glass or parylene. In this example, the chamber substrate is coated with a hydrophilic phospholipid polymer (2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine polymer or MPC polymer). is doing. When the substrate is covered with such a polymer material, the lipid bilayer membrane is not in direct contact with the substrate, and the molecular structure of the lipid bilayer membrane is not broken even after pressing. Similar effects have been reported for molecules such as agarose, PEG (polyethylene glycol), and dextran.

図5(a)に示すように平面脂質二重膜は、上部チャンバーの開口に形成される。その平面脂質二重膜の外側の領域はいわゆる環(annulus)状になっていて、ここには大量の脂質溶液が存在して平面脂質二重膜を支持している。図5(b)に示すように、上部チャンバーの位置を低くすることによって平面脂質二重膜がマイクロチャンバーアレイに押し付けられる。   As shown in FIG. 5 (a), the planar lipid bilayer membrane is formed at the opening of the upper chamber. The area outside the planar lipid bilayer is a so-called annulus, where a large amount of lipid solution is present to support the planar lipid bilayer. As shown in FIG. 5 (b), the planar lipid bilayer is pressed against the microchamber array by lowering the position of the upper chamber.

図6は本発明の共焦点顕微鏡によって観察されたマイクロチャンバー内に捕捉された蛍光ビーズとその単一ビーズの軌跡を示す図である。
図6(a)は共焦点顕微鏡によって観察されたマイクロチャンバー内に捕捉された200nmの蛍光ビーズを、図6(b)はマイクロチャンバー内の単一ビーズの軌跡を示す図である。チャンバー上面は脂質二重膜により蓋がされているため、ブラウン運動によってもチャンバーから出て行かない。
FIG. 6 is a diagram showing the locus of the fluorescent beads captured in the microchamber and the single beads observed by the confocal microscope of the present invention.
FIG. 6A shows a 200 nm fluorescent bead captured in the microchamber observed by a confocal microscope, and FIG. 6B shows a single bead trajectory in the microchamber. Since the upper surface of the chamber is covered with a lipid bilayer membrane, it does not leave the chamber even by Brownian motion.

本発明は、究極には単一分子レベルでの分子の輸送を検出するものである。この単一蛍光分子のイメージングのためには、TIRFM(全反射蛍光顕微鏡)システムが用いられる場合が多い。このシステムでは、ガラス基板の底部から数百nmを照明するために、バックグラウンド放射が除去されて、優れたS/N比が得られる。マイクロチャンバーは、生物学的観察のために用いられている通常のガラスのカバースリップ上に作製されるので、エバネッセント場(全反射面上での励起光場)はマイクロチャンバーの底部のみに形成される。   The present invention ultimately detects molecular transport at the single molecule level. For the imaging of this single fluorescent molecule, a TIRFM (total reflection fluorescence microscope) system is often used. In this system, in order to illuminate several hundred nm from the bottom of the glass substrate, the background radiation is removed and an excellent S / N ratio is obtained. Since the microchamber is made on a normal glass coverslip used for biological observation, the evanescent field (excitation light field on the total reflection surface) is formed only at the bottom of the microchamber. The

図7はTIRFMで観察されたCy3の単一蛍光分子を示す図であり、100nsecの間隔で撮られた200フレームの画像が重ね合わされている。
この図は、10nMのCy3蛍光染料溶液が本発明のマイクロチャンバー上に置かれたときのTIRFM画像(200フレームの画像が重ね合わされている)であり、各蛍光分子からの発光は、各蛍光分子がマイクロチャンバーの底面に達して光退色するにつれ、マイクロチャンバー内で明滅するドットのように見える。
FIG. 7 is a view showing a single fluorescent molecule of Cy3 observed by TIRFM, in which images of 200 frames taken at an interval of 100 nsec are superimposed.
This figure is a TIRFM image (200 frames of images are superimposed) when a 10 nM Cy3 fluorescent dye solution is placed on the microchamber of the present invention. As the light reaches the bottom of the microchamber and photobleaches, it appears as a blinking dot in the microchamber.

図8は本発明に係る、20mVの電圧固定状態においてナノ細孔タンパク質(α−ヘモリジン)の再構成によって脂質二重膜を横切る膜透過電流を示す図であり、縦軸は電流(pA)、横軸は時間(秒)を示している。
図9は本発明に係るナノ細孔(α−ヘモリジン)を通じて輸送されたローダミンBの蓄積による蛍光強度の増加を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a transmembrane current across a lipid bilayer by reconstitution of nanoporous protein (α-hemolysin) in a voltage-fixed state of 20 mV according to the present invention, and the vertical axis represents current (pA), The horizontal axis indicates time (seconds).
FIG. 9 is a graph showing an increase in fluorescence intensity due to accumulation of rhodamine B transported through nanopores (α-hemolysin) according to the present invention.

ここでは、トランスポータータンパク質のモデルとして、生体膜にナノ細孔(直径1.5nm)を形成する抗生物質として知られているα−ヘモリジンを、その溶液を上部チャンバー内に加えることによって、脂質二重膜内に組み込んだ。図8より、ナノ細孔が脂質二重膜中に再構成されると、ステップ状に膜電流が増加することが分かる。これは、各ナノ細孔が等しいコンダクタンスを有するためである。図8から、単一のα−ヘモリジンのコンダクタンスは、20mVの電圧固定状態で0.5nSと算出される。したがって、このシステムでは、ナノ細孔の数は全体の電流から計算される。さらに、単位面積におけるナノ細孔の数密度も、図5のように顕微鏡下で二重膜の領域を監視できるので、同様に計算することができる。   Here, as a model of transporter protein, α-hemolysin known as an antibiotic that forms nanopores (diameter 1.5 nm) in a biological membrane is added to the lipid chamber by adding the solution into the upper chamber. Incorporated into the bilayer. From FIG. 8, it can be seen that when the nanopore is reconstituted in the lipid bilayer, the membrane current increases stepwise. This is because each nanopore has equal conductance. From FIG. 8, the conductance of a single α-hemolysin is calculated to be 0.5 nS with the voltage fixed at 20 mV. Thus, in this system, the number of nanopores is calculated from the total current. Further, the number density of nanopores in a unit area can be calculated in the same manner because the region of the double membrane can be monitored under a microscope as shown in FIG.

ナノ細孔の再構成(約10個のナノ細孔/100μm2 )の後で、ローダミン溶液(最終濃度で10μM)が上部チャンバーに付加される。ローダミン溶液はナノ細孔を通じて輸送されるので、図9に見られるように、マイクロチャンバー内の密度の増加は,蛍光発光強度の増加として観察される。
最後に、本発明の輸送基質の蛍光検出システムにおいて、検出可能な濃度範囲を検証した。本実施例でマイクロチャンバーを形成する材料として使用したパリレン樹脂は、光学的に透明な有機材料である。従って、本来ならばマイクロチャンバーの内部の蛍光のみを検出したいが、チャンバー外側の部分にも励起光・蛍光ともに透過してしまうため、S/N比が低下するという問題があった。また、検出法としてTIRFMを使用する場合、励起光がある入射角を伴って照射されるが、このとき、チャンバーの側面から励起光が漏れ出してしまう(図9写真)、また、チャンバーの上面でもエバネッセント場が発生してしまい、こちらもS/N比が低下するという問題があった。この問題はチャンバーの材料を不透明な物質(例えば金属やシリコンなど)で形成すれば、チャンバー内部のみの蛍光を検出することができ、またこれも本発明の範囲から除外されない。しかし、本実施例では、平面膜押付け時に、平面膜の状態を観察しながら行ったほうが再現性がよく、不透明な材料を用いると、透過光での観察ができなくなってしまう。
After nanopore reconstitution (approximately 10 nanopores / 100 μm 2 ), a rhodamine solution (10 μM final concentration) is added to the upper chamber. Since the rhodamine solution is transported through the nanopore, an increase in density in the microchamber is observed as an increase in fluorescence emission intensity, as seen in FIG.
Finally, the detectable concentration range was verified in the transport substrate fluorescence detection system of the present invention. The parylene resin used as a material for forming the microchamber in this example is an optically transparent organic material. Therefore, although it is originally desired to detect only the fluorescence inside the microchamber, both the excitation light and the fluorescence are transmitted through the portion outside the chamber, which causes a problem that the S / N ratio is lowered. When TIRFM is used as a detection method, the excitation light is irradiated with a certain incident angle. At this time, the excitation light leaks from the side surface of the chamber (photo of FIG. 9), and the upper surface of the chamber. However, an evanescent field was generated, and this also had a problem that the S / N ratio decreased. The problem is that if the material of the chamber is made of an opaque substance (for example, metal or silicon), the fluorescence only inside the chamber can be detected, and this is not excluded from the scope of the present invention. However, in this embodiment, the reproducibility is better when the flat film is pressed while observing the state of the flat film. If an opaque material is used, observation with transmitted light becomes impossible.

これらの問題を解決するため、図10に示すように、ガラス基板とパリレン樹脂マイクロチャンバーの間に、十分に薄い(10nm以下)アルミニウム薄膜21を蒸着した。このアルミニウム薄膜21は、透過光を10−20%程度減光する。
図11に、共焦点顕微鏡観察における、チャンバー内側および外側の蛍光輝度を示す。この実験は検出システムの校正が目的であり、脂質二重膜及び膜タンパク質は用いておらず、マイクロチャンバー上に規定濃度の蛍光色素を含む溶液を滴下し、観察を行った。
In order to solve these problems, a sufficiently thin (less than 10 nm) aluminum thin film 21 was deposited between the glass substrate and the parylene resin microchamber as shown in FIG. The aluminum thin film 21 reduces transmitted light by about 10-20%.
FIG. 11 shows fluorescence brightness inside and outside the chamber in confocal microscope observation. The purpose of this experiment was to calibrate the detection system, and the lipid bilayer membrane and membrane protein were not used. A solution containing a fluorescent dye with a specified concentration was dropped on the microchamber and observed.

ここでは、微小領域4Aを除くガラス基板(カバーガラス)1の上面には、アルミニウム薄膜21が形成されるようにしている点を除くと、図2と同様の装置である。
アルミニウム薄膜21がない場合は、チャンバーの内側及び外側の蛍光輝度の比が1.2程度に対し、アルミニウム薄膜21を蒸着したチャンバーでは1.5程度に上昇し、S/N比が改善された。また、検出に60倍の対物レンズ(オリンパス)および冷却CCDカメラ(浜松フォトニクス、ORCA−ER)を用いた場合、およそ100nM−10μMの濃度範囲で検出可能であることを確認した。
Here, the apparatus is the same as that shown in FIG. 2 except that the aluminum thin film 21 is formed on the upper surface of the glass substrate (cover glass) 1 excluding the minute region 4A.
When the aluminum thin film 21 is not present, the ratio of the fluorescence brightness inside and outside the chamber is about 1.2, whereas in the chamber where the aluminum thin film 21 is deposited, the ratio increases to about 1.5, and the S / N ratio is improved. . Further, when a 60 × objective lens (Olympus) and a cooled CCD camera (Hamamatsu Photonics, ORCA-ER) were used for detection, it was confirmed that detection was possible in a concentration range of about 100 nM-10 μM.

図12に、全反射顕微鏡観察おける、チャンバー内側および外側の蛍光輝度を示す。図12(a)は、アルミニウム薄膜21なしの場合である。このとき、チャンバー側壁からの励起光の染み出しや、チャンバー上面でのエバネッセント場の発生が障害となるため、色素の濃度と蛍光輝度が比例関係からのばらつきが大きくなってしまう。それに対し、アルミニウム薄膜21を蒸着した場合(図12b)は、これらの障害が抑えられるため、ばらつきが小さく、よい再現性が得られる。全反射顕微鏡を検出手段とした場合は、10nM−1μMの範囲で計測が行えることを確認した。   FIG. 12 shows the fluorescence brightness inside and outside the chamber in total reflection microscope observation. FIG. 12A shows the case without the aluminum thin film 21. At this time, the exudation of the excitation light from the side wall of the chamber and the generation of the evanescent field on the upper surface of the chamber become obstacles, so that the variation of the dye concentration and the fluorescence luminance from the proportional relationship increases. On the other hand, when the aluminum thin film 21 is deposited (FIG. 12b), since these obstacles can be suppressed, variation is small and good reproducibility is obtained. When the total reflection microscope was used as the detection means, it was confirmed that measurement could be performed in the range of 10 nM-1 μM.

上記したように、本発明によれば、
(1)人工脂質二重膜を通過した基質が微小領域内に蓄積されるために急速に濃度が上昇し、超高感度で検出が可能である。
(2)人工脂質二重膜を使用しているため、機能解析を行う膜タンパク質のみの純粋な効果を計測できる。また、タンパク質濃度を調整することにより一分子レベルでの機能を計測できる。
(3)人工脂質二重膜をマイクロチャンバーアレイに押付けて微小領域を形成するが、その際マイクロチャンバー表面を親水性ポリマー(PEG,MPCポリマーなど)でコーティングすることにより、脂質二重膜が壊れることを防止できる。
(4)マイクロチャンバーアレイをカバーガラス上に形成しているため、共焦点顕微鏡など高感度・高S/N比のイメージング手法を使用できる。
(5)マイクロチャンバーアレイは微細加工技術により形成することにより形状・体積が均一にそろっているため、再現性の良いデータが取得できる。
(6)イメージングと電気生理的手法を同時に利用できるため、膜輸送とそれに伴うイオンやプロトンの移動も同時計測が可能である。
As mentioned above, according to the present invention,
(1) Since the substrate that has passed through the artificial lipid bilayer is accumulated in the microregion, the concentration rapidly increases, and detection is possible with ultra-high sensitivity.
(2) Since an artificial lipid bilayer membrane is used, it is possible to measure the pure effect of only the membrane protein that performs functional analysis. Moreover, the function at the single molecule level can be measured by adjusting the protein concentration.
(3) The artificial lipid bilayer membrane is pressed against the microchamber array to form a microregion. At that time, the lipid bilayer membrane is broken by coating the microchamber surface with a hydrophilic polymer (PEG, MPC polymer, etc.). Can be prevented.
(4) Since the microchamber array is formed on the cover glass, a high-sensitivity and high S / N ratio imaging technique such as a confocal microscope can be used.
(5) Since the micro-chamber array has a uniform shape and volume by being formed by a fine processing technique, data with good reproducibility can be acquired.
(6) Since imaging and electrophysiological techniques can be used simultaneously, membrane transport and accompanying ion and proton movements can be simultaneously measured.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.

トランスポーターなどの膜輸送タンパク質は、細胞膜における免疫反応や薬剤応答などに深くかかわっているため、医学的・薬学的にも非常に重要性が高い。例えば、薬剤排出ABCトランスポーターと呼ばれる膜タンパク質群は、抗がん剤を細胞外に排出してしまうため、これらを不活性化させるインヒビターなどの研究が必要不可欠である。本発明は、これらのタンパク質の機能・性質を詳細に解明するためのツールになり得る。   Membrane transport proteins such as transporters are very important for medical and pharmaceutical purposes because they are deeply involved in immune reactions and drug responses in cell membranes. For example, a group of membrane proteins called drug effluxing ABC transporters excrete anticancer drugs out of the cells, and therefore research on inhibitors that inactivate them is indispensable. The present invention can be a tool for elucidating the functions and properties of these proteins in detail.

本発明の実施例を示す膜輸送分子の機能測定装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the function measuring apparatus of the membrane transport molecule | numerator which shows the Example of this invention. 図1のA部拡大図である。It is the A section enlarged view of FIG. 本発明の実施例を示すガラス基板(カバーガラス)上に作製されたパリレン樹脂からなるマイクロチャンバーを示す図である。It is a figure which shows the micro chamber which consists of parylene resin produced on the glass substrate (cover glass) which shows the Example of this invention. 本発明の平面脂質二重膜形成のための上部チャンバーとその開口を示す図である。It is a figure which shows the upper chamber and its opening for planar lipid bilayer formation of this invention. 本発明の上部チャンバーの開口に形成された平面脂質二重膜と、それをマイクロチャンバーに押し付けた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which pressed the planar lipid bilayer membrane formed in opening of the upper chamber of this invention, and the micro chamber. 本発明の共焦点顕微鏡によって観察されたマイクロチャンバー内に捕捉された蛍光ビーズとその単一ビーズの軌跡を示す図である。It is a figure which shows the locus | trajectory of the fluorescent bead captured in the micro chamber observed with the confocal microscope of this invention, and its single bead. 本発明のTIRFMで観察されたCy3の単一蛍光分子を示す図である。It is a figure which shows the single fluorescence molecule | numerator of Cy3 observed by TIRFM of this invention. 本発明に係る、20mVの電圧固定状態においてナノ細孔(α−ヘモリジン)の再構成によって脂質二重膜を横切る膜透過電流を示す図である。It is a figure which shows the transmembrane current which crosses a lipid bilayer membrane by the reconfiguration | reconstruction of a nanopore ((alpha) -hemolysin) in the voltage fixed state of 20 mV based on this invention. 本発明に係る、ナノ細孔(α−ヘモリジン)を通じて輸送されるローダミンBの蓄積による蛍光強度の増加を示す図である。It is a figure which shows the increase in the fluorescence intensity by accumulation | storage of rhodamine B transported through nanopore ((alpha) -hemolysin) based on this invention. 本発明の実施例を示すS/N比が改善されたマイクロチャンバーを示す図である。It is a figure which shows the micro chamber with which S / N ratio improved which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示す共焦点顕微鏡観察における、チャンバー内側および外側の蛍光輝度を示す図である。It is a figure which shows the fluorescence brightness of the chamber inner side and outer side in the confocal microscope observation which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示す全反射顕微鏡観察おける、チャンバー内側および外側の蛍光輝度を示す図である。It is a figure which shows the fluorescence brightness of the chamber inner side and outer side in the total reflection microscope observation which shows the Example of this invention.

1 ガラス基板(カバーガラス)
2 マイクロチャンバー
2A 小孔
3A,3B 基質溶液(バッファ液)
4 漏斗型の上部チャンバー
5 開口
6 人工二分子膜(人工脂質二重膜)
7 上部チャンバー内にセットされる電極
8 上部チャンバーの外部の基質溶液にセットされるアース電極
9 トランスポーター
10 基質溶液内に含まれる蛍光物質
11 増幅器
12 オシロスコープ
13 対物レンズ
14 レーザー
21 アルミニウム薄膜
1 Glass substrate (cover glass)
2 Microchamber 2A Small hole 3A, 3B Substrate solution (buffer solution)
4 Funnel-type upper chamber 5 Opening 6 Artificial bilayer membrane (artificial lipid bilayer membrane)
Fluorescent substance 11 amplifier 12 oscilloscope 13 objective lens 14 the laser 21 aluminum thin film contained in the ground electrode 9 transporter 10 Substrate solvent solution in which is set outside the substrate dissolved liquid of the electrode 8 upper chamber which is set to 7 upper chamber

Claims (4)

ガラス基板上に形成したマイクロチャンバーに人工二分子膜を押付け、上面が前記人工二分子膜で閉じられた微小領域を形成し、前記人工二分子膜に膜輸送分子としての膜タンパク質を再構成し、前記人工二分子膜の上側に蛍光物質を付加した基質の溶液を加えて、前記膜タンパク質によって前記人工二分子膜を通過させ輸送した前記基質を前記微小領域内に蓄積させ、該蓄積された基質の濃度を前記ガラス基板の下方に配置した共焦点顕微鏡による蛍光イメージングにより高感度・高S/N比で検出し、前記膜タンパク質が前記基質を輸送する効率を計測することを特徴とする人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法。 An artificial bilayer is pressed against a microchamber formed on a glass substrate to form a microregion whose upper surface is closed by the artificial bilayer, and a membrane protein as a membrane transport molecule is reconstituted in the artificial bilayer. , the artificial bilayer membrane solution was added upper side of the substrate by adding a fluorescent substance, the substrate was transported by passing Therefore the artificial bilayer membrane in the membrane protein is accumulated in the small area, the storage The concentration of the obtained substrate is detected with high sensitivity and high S / N ratio by fluorescence imaging with a confocal microscope placed below the glass substrate, and the efficiency of transporting the substrate by the membrane protein is measured. A method for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using an artificial bilayer membrane. 請求項1記載の人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法において、前記微小領域が体積fL(フェムトリットル)〜pL(ピコリットル)であることを特徴とする人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定方法。   2. The method for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using the artificial bilayer membrane according to claim 1, wherein the microregion is a volume fL (femtoliter) to pL (picoliter). Method for measuring membrane transport function of membrane transport molecules using a membrane. (a)ガラス基板上に形成されたマイクロチャンバーと、
(b)該マイクロチャンバーに押付けられる人工二分子膜と、
(c)上面が前記人工二分子膜で閉じられた微小領域と、
(d)前記人工二分子膜に再構成される膜輸送分子としての膜タンパク質と、
(e)前記人工二分子膜の上側に加えられる蛍光物質を付加した基質の溶液と、
(f)前記ガラス基板の下方に配置される共焦点顕微鏡とを備え
)前記膜タンパク質によって前記人工二分子膜を通過させ輸送した前記基質を前記微小領域内に蓄積させ、該蓄積された基質の濃度を前記共焦点顕微鏡による蛍光イメージングにより高感度・高S/N比で検出し、前記膜タンパク質が前記基質を輸送する効率を計測することを特徴とする人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定装置。
(A) a microchamber formed on a glass substrate;
(B) an artificial bilayer film pressed against the microchamber;
(C) a microregion whose upper surface is closed by the artificial bilayer;
(D) a membrane protein as a membrane transport molecule reconstituted into the artificial bilayer ;
(E) a substrate solution to which a fluorescent material added to the upper side of the artificial bilayer is added ;
(F) a confocal microscope disposed below the glass substrate ;
(G) the said substrate which is transported by passing the artificial bilayer membrane by the membrane protein is accumulated in the small area, high sensitivity and high S concentration of the accumulated substrates by fluorescence imaging with the confocal microscope An apparatus for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using an artificial bilayer membrane, characterized by measuring the efficiency of transporting the substrate by the membrane protein detected by an / N ratio .
請求項記載の人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定装置において、前記微小領域が体積fL(フェムトリットル)〜pL(ピコリットル)であることを特徴とする人工二分子膜を用いた膜輸送分子の膜輸送機能測定装置。 4. The apparatus for measuring a membrane transport function of a membrane transport molecule using an artificial bilayer membrane according to claim 3 , wherein the minute region has a volume fL (femtoliter) to pL (picoliter). Membrane transport function measuring device for membrane transport molecules.
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