JP7157999B2 - Method for culturing microorganisms using vesicles encapsulating microorganisms - Google Patents

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本発明は、微生物を封入したベシクルを用いた微生物の培養方法に関する。 The present invention relates to a method for culturing microorganisms using vesicles encapsulating microorganisms.

我々の生活において、微生物は非常に密接に関わっており、我々は微生物の活性による機能や微生物らが産生する代謝物質などを利用し、生活している。自然界には我々が未だに知らない微生物が数多く存在しており、自然界に存在する微生物の99%は未だに培養することができず、未知の有用物質を発見・獲得できずにいる。そのため新規の微生物培養法の開発が求められている。
近年、微生物の分取・培養法として、マイクロサイズ(細胞サイズ)のゲルドロップレットやwater-in-oil(W/O)ドロップレットを用いた手法が報告され注目されている(非特許文献1)。これらの手法の特徴として、一つ一つのドロップレットがリアクタとして反応・培養の場となり、菌体数を調整することで、1菌体/1ドロップレットが可能となり、シングルセル解析・培養が可能である。これらマイクロサイズのゲルドロップレットやW/Oドロップレットと同様に菌体の反応・培養場になりうる材料にリポソームがある。リポソームは細胞膜の基本構造である脂質二重膜で形成されたカプセルである。リポソームのカプセルとしての性質を利用した例として広く知られている手法に、リポソーム内部に薬剤などを封入し、目的の部位へ送達して治療を行うドラッグデリバリーシステム(DDS)がある。しかしながら、DDSに使用されるリポソームのサイズは、およそ10~100nm程度のサイズであり、内部に封入できる物質の大きさや量に制限があり、また1リポソームを光学顕微鏡で観察することはできない。近年、マイクロサイズ(細胞サイズ;10~100μm程度)の大きさを有するリポソームの作成技術が進化し、目的の物質を内部に封入し、人工細胞の開発や内部での化学反応による物質生産を行うマイクロリアクタとして利用され、また、光学顕微鏡でのリアルタイムな直接観察が可能となり、生物学・医学・産業の発展に応用されている。
Microorganisms are very closely related to our lives, and we live by using functions based on the activity of microorganisms and metabolites produced by microorganisms. There are many microorganisms in the natural world that we do not yet know about, and 99% of the microorganisms that exist in the natural world cannot be cultured yet, and unknown useful substances cannot be discovered or acquired. Therefore, development of a new microbial culture method is required.
In recent years, methods using micro-sized (cell-sized) gel droplets and water-in-oil (W/O) droplets have been reported and attracting attention as methods for separating and culturing microorganisms (Non-Patent Document 1). ). As a feature of these methods, each droplet acts as a reactor for reaction and culture, and by adjusting the number of cells, one cell per droplet is possible, enabling single cell analysis and culture. is. Like these micro-sized gel droplets and W/O droplets, liposomes are materials that can serve as reaction and culture sites for bacterial cells. A liposome is a capsule formed of a lipid bilayer membrane, which is the basic structure of a cell membrane. A widely known technique that utilizes the capsule properties of liposomes is a drug delivery system (DDS) in which a drug or the like is encapsulated inside the liposome and delivered to the target site for treatment. However, the size of liposomes used in DDS is about 10 to 100 nm, which limits the size and amount of substances that can be encapsulated, and one liposome cannot be observed with an optical microscope. In recent years, the technology for creating micro-sized liposomes (cell size: about 10 to 100 μm) has evolved, encapsulating the target substance inside, developing artificial cells, and producing substances through internal chemical reactions. It is used as a microreactor and enables real-time direct observation with an optical microscope, and is applied to the development of biology, medicine, and industry.

微生物の分取・培養法として、マイクロサイズのゲルドロップレットおよびW/Oドロップレットを用いた手法が従来技術として挙げられる。これら問題点として、ゲルドロップレットでは、材料がゲルのため外部と内部を隔てる膜が存在せず、内部で増殖した微生物がゲルのメッシュを透過、同じく代謝産物が透過し有用物質が内部に保持できない。また、この透過性はメッシュサイズに依存するため制御は難しい。一方、W/Oドロップレットでは、内部に微生物を確実に封入し、膜を介してドロップレット外部と内部の物質移動もほとんど行われないために、内部で増殖した微生物・代謝産物などの有用物質を保持できるメリットはあるが、内部の栄養などが枯渇してしまうと補給することが難しい。また、油や有機溶剤を使用するので、微生物回収時に油や有機溶剤を100%除去するのは難しい。 Techniques using micro-sized gel droplets and W/O droplets are conventional techniques for separating and culturing microorganisms. As for these problems, since the material of the gel droplet is gel, there is no membrane separating the outside and inside, so the microorganisms that grow inside permeate through the mesh of the gel. Can not. Moreover, since this permeability depends on the mesh size, it is difficult to control. On the other hand, in W/O droplets, microorganisms are reliably enclosed inside, and mass transfer between the inside and outside of the droplet through the membrane is almost non-existent. Although it has the advantage of being able to retain the internal nutrients, it is difficult to replenish when the internal nutrients are depleted. In addition, since oil and organic solvents are used, it is difficult to remove 100% of the oils and organic solvents when collecting microorganisms.

以上の2つの手法と比較して、リポソーム内での微生物培養では、W/Oドロップレットと同様に、内部に微生物を確実に封入し、内部で増殖した微生物・代謝産物などの有用物質を保持できるメリットを維持しつつ、脂質二分子膜の半透過性の効果を利用し、溶媒分子・小さな分子が膜を通過することで適度な物質・栄養交換を可能である。また微生物回収時においても水溶液系なので、内部の微生物を非侵襲的に回収できることが可能である。このように、リポソーム内での微生物の保持は、ゲルドロップレットおよびW/Oドロップレットを用いた手法と比較して、同程度もしくはそれ以上の長時間培養と高密度培養を可能とする。 Compared to the above two methods, microbial culture in liposomes reliably encloses microbes inside, similar to W/O droplets, and retains useful substances such as microbes and metabolites grown inside. While maintaining the advantage of being able to do so, it is possible to use the semi-permeable effect of the lipid bilayer membrane to allow solvent molecules and small molecules to pass through the membrane, enabling moderate substance and nutrient exchange. In addition, since it is an aqueous solution system even when collecting microorganisms, it is possible to recover the internal microorganisms in a non-invasive manner. Thus, retention of microorganisms in liposomes enables similar or longer long-term culture and high-density culture compared to techniques using gel droplets and W/O droplets.

一方で、微生物をリポソーム内で培養する際には、一定の至適温度(例えば、37℃)で実験を行う必要性がある。温度コントローラーなどを用いて微生物が封入されたリポソームを含む溶液中の温度を一定に保つことができるが、温度コントローラーの熱により生じる溶液中の熱対流により、リポソームは溶液中でブラウン運動する。ブラウン運動は溶液中のリポソーム同士の衝突、ガラス基板との摩擦、カメラの視野から外れるなどの障害を招く。このブラウン運動を防ぎ、顕微鏡下で長時間の観察を容易に行うには、微生物を培養するリポソームを固定する必要があった。 On the other hand, when culturing microorganisms in liposomes, it is necessary to conduct experiments at a constant optimum temperature (eg, 37°C). A temperature controller or the like can be used to keep the temperature in the solution containing the liposomes encapsulating the microorganisms constant, but the liposomes undergo Brownian motion in the solution due to thermal convection in the solution caused by the heat of the temperature controller. Brownian motion causes obstacles such as collisions between liposomes in solution, friction with a glass substrate, and movement out of the field of view of a camera. In order to prevent this Brownian motion and facilitate long-term observation under a microscope, it was necessary to immobilize the liposomes that culture the microorganisms.

リポソームを固定化する手段としては、ビオチン-アビジンを用いて基板上にリポソームを固定化する手法が報告されている。例えば、特許文献1は、脂質ナノチューブ部を有する脂質構造体の製造方法を開示しており、当該方法により製造されたナノ粒子含有リポソームの固定方法として、ビオチン-アビジンの相互作用を利用して、基板上に固定化する手法を開示している。より具体的には、Biotin(ビオチン)とBSAが結合したBiotin-BSAおよびCaseinによりスライドガラス基板の表面をコーティングし、リポソームの脂質膜中にBiotin-PEGが付加した脂質Biotin-PEG-DSPEを導入、さらに、リポソームを含む溶液中にStreptavidin溶液を添加することで、Streptavidinを介してナノ粒子含有リポソームをスライドガラス上に固定化する手法を開示している。
また、非特許文献2は、バイオチップ作製へ向けた人工細胞膜アレイの構築を課題として、リポソームを人工細胞膜として用いた三次元マイクロアレイを開示している。そして、非特許文献2は、固体基板上へリポソームを固定する手法として、疎水化オリゴヌクレオチドとリン脂質とからなるサポ―テッドメンブレンを基板上に覆い、疎水化オリゴヌクレオチドで標識したリポソームを調整し、基板上のメンブレンから伸びるオリゴヌクレオチドとリポソームの表面上に伸びるオリゴヌクレオチドとをリンカーオリゴヌクレオチドを介すことでリポソームを基板上に固定化する手法を開示する。
また非特許文献3は、微生物を内包したリポソームを製造する手法を開示しており、当該リポソームを顕微鏡下で観察するためリポソーム内部の溶液にスクロースを添加し、リポソームの外液にグルコースを用いることでリポソームの比重を重くし、基板上にリポソームを沈める手法を開示する。
しかしながら、上記文献にはリポソームに封入された微生物などの細胞を培養する目的でリポソームを長時間固定化する課題については記載がなく、これまでに細胞が封入されたリポソームなどのベシクルを長時間基板上に固定する手法については報告がない。
As a means for immobilizing liposomes, a method of immobilizing liposomes on a substrate using biotin-avidin has been reported. For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a lipid structure having a lipid nanotube portion. A technique for immobilization on a substrate is disclosed. More specifically, the surface of a slide glass substrate is coated with Biotin-BSA and Casein, in which biotin and BSA are bound, and the lipid Biotin-PEG-DSPE with Biotin-PEG attached is introduced into the lipid membrane of the liposome. Furthermore, they disclose a method of immobilizing nanoparticle-containing liposomes on a slide glass via streptavidin by adding a streptavidin solution to a solution containing liposomes.
Non-Patent Document 2 discloses a three-dimensional microarray using liposomes as an artificial cell membrane, with the goal of constructing an artificial cell membrane array for biochip production. Non-Patent Document 2 describes a method for immobilizing liposomes on a solid substrate by covering the substrate with a supported membrane composed of hydrophobic oligonucleotides and phospholipids and preparing liposomes labeled with hydrophobic oligonucleotides. disclose a technique for immobilizing liposomes on a substrate by interposing oligonucleotides extending from the membrane on the substrate and oligonucleotides extending on the surface of the liposomes via linker oligonucleotides.
In addition, Non-Patent Document 3 discloses a method for producing a liposome encapsulating a microorganism, in which sucrose is added to the solution inside the liposome and glucose is used as the external solution of the liposome in order to observe the liposome under a microscope. to increase the specific gravity of the liposomes and to submerge the liposomes on the substrate.
However, the above literature does not describe the problem of immobilizing liposomes for a long period of time for the purpose of culturing cells such as microorganisms encapsulated in liposomes. There is no report on the method of fixing to the top.

国際公開公報第2012/117587号International Publication No. 2012/117587

Minjeong Jang, et al., “Microdroplet-based Cell Culture Models and Their Application”, BioChip J. (2016) 10(4): 310-317, DOI 10.1007/s13206-016-0407-1Minjeong Jang, et al., “Microdroplet-based Cell Culture Models and Their Applications”, BioChip J. (2016) 10(4): 310-317, DOI 10.1007/s13206-016-0407-1 佐々木 善浩、秋吉 一成、”バイオチップ作製へ向けた人工細胞アレイの構築”、Annual Reports of the Institute of Biomaterials and Bioengineering (2009) 43, 26~28Yoshihiro Sasaki, Kazunari Akiyoshi, “Construction of Artificial Cell Array for Biochip Production”, Annual Reports of the Institute of Biomaterials and Bioengineering (2009) 43, 26-28 Sampreeti Chowdhuri, et al., “Encapsulation of Living Cells within Giant Phospholipid Liposomes Formed by the Inverse-Emulsion Technique”, ChemBioChem (2016) 17, 886-889, DOI: 10.1002/cbic.201500643Sampreeti Chowdhuri, et al., “Encapsulation of Living Cells within Giant Phospholipid Liposomes Formed by the Inverse-Emulsion Technique”, ChemBioChem (2016) 17, 886-889, DOI: 10.1002/cbic.201500643

本発明が解決する課題は、両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルを用いて、基板上で細胞を長時間培養する方法であって、ベシクル内部に封入した細胞を安定的に保持できる方法の提供にある。 The problem to be solved by the present invention is a method for culturing cells on a substrate for a long time using a vesicle composed of a double membrane of amphipathic molecules, in which the cells encapsulated inside the vesicle are stably retained. It's about providing a way to do it.

本発明者らは、細胞を封入した両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルが、37℃の溶液温度条件下においても、ブラウン運動することなく、顕微鏡の同一視野内に数多くのベシクルを一度に長時間観察できるように、ベシクルをスライドガラスの基板上に固定化することを検討した。
まず、顕微鏡の同一視野内に数多くのベシクルを一度に観察できるように、ベシクル内の溶液にデキストランを加えてリポソームの比重を重くして、ガラス基板上に沈殿させる方法を試みた。比重を重くしたところ、37℃の溶液温度条件下においても、ブラウン運動することなく、基板上に並んだベシクルの数は向上した。しかし、ベシクルの中だけにデキストランが存在するためにベシクルの内側と外側の間に浸透圧差が生じたことやベシクルがガラス基板に直接接触することなどが要因で、基板上に接着して1~2時間後にはベシクルの破裂や収縮、揺らぎなどの現象が観察され、長期培養等に耐えうるものではなかった。
The present inventors have found that vesicles composed of bilayer membranes of amphipathic molecules encapsulating cells do not undergo Brownian motion even at a solution temperature of 37°C, and many vesicles are formed within the same field of view under a microscope. We considered immobilizing vesicles on a slide glass substrate so that we could observe for a long time at a time.
First, in order to observe a large number of vesicles in the same field of view of the microscope at one time, dextran was added to the solution in the vesicles to increase the specific gravity of the liposomes, and the liposomes were precipitated on a glass substrate. When the specific gravity was increased, the number of vesicles aligned on the substrate increased without Brownian motion even at a solution temperature of 37°C. However, due to factors such as the presence of dextran only in the vesicle, the difference in osmotic pressure between the inside and outside of the vesicle and the direct contact of the vesicle with the glass substrate, it is difficult to adhere to the substrate and Phenomena such as rupture, contraction and fluctuation of the vesicles were observed after 2 hours, and the cells could not withstand long-term culture.

次に、ベシクルの内部にLB培地とスクロースの混合溶液を用い、かつ、ベシクルを含む溶液(リポソームの外液)としてLB培地とグルコースの混合溶液を用いることでベシクルの比重を重くした。スクロースとグルコースの濃度を同じにすることで、ベシクルの内側と外側の間に浸透圧差が生じないように改善した。また、スライドガラスの基板上をBSAでコートし、ベシクルがガラスに直接接触しないように改善して、スクロースとグルコースの分子量の違いによる比重を利用してベシクルを沈降させた。しかしながら、基板上に接着したベシクルは、わずか10分程度で中身が露出してしまい、長時間の観察はできなかった。
そこで、本発明者らは、Z.Nourin et al. Angrew. Chem. 2012, 124, 3168-3172を参照し、Biotin(ビオチン)とBSAが結合したBiotin-BSA、Neutravidin、ベシクルを構成するBiotin-PEGが付加した脂質(Biotin-PEG-lipid)を用いて、ベシクルをガラス基板上に固定させる方法を試みた。ベシクルは、内部にスクロースを混合したLB培地を用いて、外液にグルコースを混合したLB培地を用いることで、先ほどと同様に比重差をつけた。ベシクル内部の比重を重くすることで、固定化までの時間を短縮でき、倒立型顕微鏡における同一視野内に数多くのベシクルを並べることができ、また同時観察を容易にすることができた。その結果、固定化から2時間後においても80%以上のリポソームが基板上に残存していることを確認できた。しかしながら、この方法でも、2時間後のリポソームの形が歪んでいたり、24時間後には約20%程度しかリポソームは残っておらず不十分な結果となった。
そこで、本発明者らは、スライドガラス上を両親媒性分子からなる平面脂質二重膜で覆い、かつ、当該二重膜から伸びるBiotin-PEGと、Neutravidin、Biotin-PEG-lipidとを用いてベシクルを固定化する手法を着想した。この方法について鋭意検討した結果、24時間後であっても、70%以上のベシクルを変形などの歪みがない球状の状態で維持できることを見出した。本発明は当該知見に基づき完成されたものである。
Next, a mixed solution of LB medium and sucrose was used inside the vesicles, and a mixed solution of LB medium and glucose was used as the solution containing the vesicles (external liquid of the liposomes) to increase the specific gravity of the vesicles. By making the concentrations of sucrose and glucose the same, we improved the osmotic pressure difference between the inside and outside of the vesicle. In addition, the slide glass substrate was coated with BSA to prevent the vesicles from directly contacting the glass, and the vesicles were sedimented using the specific gravity due to the difference in molecular weight between sucrose and glucose. However, the contents of the vesicles adhered to the substrate were exposed after only about 10 minutes, and long-term observation was not possible.
Therefore, the present inventors refer to Z. Nourin et al. Angrew. Chem. We attempted to immobilize vesicles on a glass substrate using a PEG-attached lipid (Biotin-PEG-lipid). For the vesicles, an LB medium mixed with sucrose inside and an LB medium mixed with glucose in the external solution were used to give a difference in specific gravity in the same manner as before. By increasing the specific gravity inside the vesicles, it was possible to shorten the time required for immobilization, to arrange many vesicles in the same field of view in an inverted microscope, and to facilitate simultaneous observation. As a result, it was confirmed that 80% or more of the liposomes remained on the substrate even 2 hours after immobilization. However, even with this method, the shape of the liposomes was distorted after 2 hours, and only about 20% of the liposomes remained after 24 hours, resulting in unsatisfactory results.
Therefore, the present inventors covered a slide glass with a planar lipid bilayer membrane composed of amphipathic molecules, and used Biotin-PEG, Neutravidin, and Biotin-PEG-lipid extending from the bilayer membrane. We came up with a method to immobilize vesicles. As a result of intensive studies on this method, it was found that 70% or more of the vesicles can be maintained in a spherical state without distortion such as deformation even after 24 hours. The present invention has been completed based on this finding.

すなわち、本発明は、以下の態様を含む:
本発明は、一態様において
〔1〕両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルを用いて細胞を培養する方法であって、
前記細胞が封入された前記ベシクルを作製する工程と、
両親媒性分子から構成される平面二重膜で表面が覆われた基板上に、固定化手段を介して前記ベシクルを固定する工程と、
前記ベシクル内で前記細胞を培養する工程と
を含む、培養方法に関する。
ここで、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔2〕上記〔1〕に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの内水相が外水相に対して比重が高くなるように調製されることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔3〕上記〔1〕または〔2〕に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの直径が1~100μmの範囲内にあるものを含むことを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔4〕上記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定が、ビオチン結合性タンパク質およびアビジン結合性タンパク質の組み合わせ、または、相補的なオリゴヌクレオチドの組み合わせを用いて行われることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔5〕上記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記ベシクルが前記細胞を一細胞単位で含むことを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔6〕上記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定が、疎水性オリゴヌクレオチドと当該疎水性オリゴヌクレオチドに相補性を有するリンカーオリゴヌクレオチドとを介して固定されるものではないことを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔7〕上記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定化手段が、ビオチン結合性タンパク質およびアビジン結合性タンパク質であることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔8〕上記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定が、前記平面二重膜上のビオチンと、前記ベシクルを構成する二重膜上のビオチンと、前記2つのビオチンの両方に結合するアビジンを介して行われることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔9〕上記〔1〕~〔8〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記培養工程が、前記ベシクルの内水相および/または外水相の環境を変化させながら培養することを含むことを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔10〕上記〔1〕~〔9〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記培養工程が、リアルタイムに前記細胞の増殖を観察しながら培養を行う工程であって、所望の状態となるまで前記細胞を培養する工程である、培養方法。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔11〕上記〔8〕~〔10〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記細胞が、ベシクルへの封入前に前培養したものであることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、一実施の形態において、
〔12〕上記〔8〕~〔11〕のいずれかに記載の培養方法であって、
前記細胞を培養する工程が1時間以上培養を行う工程であることを特徴とする。
また、本発明の培養方法は、別の態様において、
〔13〕上記〔1〕~〔12〕のいずれかに記載の培養方法に用いるキットであって、
(1)ベシクルおよび/または平面二重膜を構成するための両親媒性分子と
(2)前記ベシクルを平面二重膜上に固定するための手段と
を含む、キットに関する。
That is, the present invention includes the following aspects:
In one aspect of the present invention, [1] a method for culturing cells using a vesicle composed of a double membrane of amphiphilic molecules, comprising:
creating the vesicle encapsulating the cell;
a step of immobilizing the vesicles via immobilization means onto a substrate whose surface is covered with a planar double membrane composed of amphipathic molecules;
and culturing the cell in the vesicle.
Here, in one embodiment of the culture method of the present invention,
[2] The culture method according to [1] above,
The vesicle is characterized in that the inner aqueous phase of the vesicle is prepared to have a higher specific gravity than the outer aqueous phase.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[3] The culture method according to [1] or [2] above,
The vesicle is characterized by including those having a diameter in the range of 1 to 100 μm.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[4] The culture method according to any one of [1] to [3] above,
The vesicle is immobilized on the substrate using a combination of biotin-binding protein and avidin-binding protein, or a combination of complementary oligonucleotides.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[5] The culture method according to any one of [1] to [4] above,
The vesicle is characterized by containing the cell in units of one cell.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[6] The culture method according to any one of [1] to [5] above,
The immobilization of the vesicle onto the substrate is characterized in that it is not immobilized via a hydrophobic oligonucleotide and a linker oligonucleotide having complementarity to the hydrophobic oligonucleotide.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[7] The culture method according to any one of [1] to [6] above,
The means for immobilizing the vesicle on the substrate is biotin-binding protein and avidin-binding protein.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[8] The culture method according to any one of [1] to [6] above,
The vesicle is immobilized on the substrate via biotin on the planar double membrane, biotin on the double membrane constituting the vesicle, and avidin that binds to both of the two biotins. characterized by
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[9] The culture method according to any one of [1] to [8] above,
The culturing step includes culturing while changing the environment of the internal aqueous phase and/or external aqueous phase of the vesicle.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[10] The culture method according to any one of [1] to [9] above,
The culturing method, wherein the culturing step is a step of culturing the cells while observing proliferation of the cells in real time, and culturing the cells until a desired state is achieved.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[11] The culture method according to any one of [8] to [10] above,
The cells are characterized by being pre-cultured prior to encapsulation in vesicles.
In one embodiment, the culture method of the present invention includes
[12] The culture method according to any one of [8] to [11] above,
The step of culturing the cells is a step of culturing for 1 hour or more.
In another aspect of the culture method of the present invention,
[13] A kit for use in the culture method according to any one of [1] to [12] above,
(1) with amphipathic molecules for constructing vesicles and/or planar bilayer membranes
(2) means for immobilizing the vesicle on the planar bilayer membrane.

本発明によれば、両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルを基板上に固定し、基板上で細胞を長時間培養することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to immobilize a vesicle composed of a double membrane of amphiphilic molecules on a substrate and culture cells on the substrate for a long period of time.

図1Aは、下記実施例1に示されるリポソームのガラス基板への固定化法及びその観察方法の模式図を示す。また、図1Bおよび図1Cは、下記実施例1に示されるマイクロリポソーム固定化後の安定性解析の結果を示す。より具体的には、図1Bはマイクロリポソーム固定化後の観察開始時におけるリポソームの顕微鏡画像、及び、マイクロリポソーム固定化後24時間経過時のリポソームの顕微鏡画像を示す。図1Cは経過時間ごとのリポソームの残存率を示す。FIG. 1A shows a schematic diagram of a method for immobilizing liposomes on a glass substrate and an observation method thereof, which are shown in Example 1 below. 1B and 1C show the results of stability analysis after microliposome immobilization shown in Example 1 below. More specifically, FIG. 1B shows a microscopic image of liposomes at the start of observation after immobilization of microliposomes, and a microscopic image of liposomes 24 hours after immobilization of microliposomes. FIG. 1C shows the residual rate of liposomes for each elapsed time. 図2Aは、大腸菌封入W/Oドロップレットを用いた界面通過法により大腸菌封入リポソームを作製する際の模式図を示す。図2Bは、大腸菌封入リポソームの顕微鏡画像(左:蛍光像、右:位相差像)を示す。FIG. 2A shows a schematic diagram of preparation of E. coli-encapsulated liposomes by the interfacial passage method using E. coli-encapsulated W/O droplets. FIG. 2B shows microscopic images of E. coli-encapsulated liposomes (left: fluorescence image, right: phase-contrast image). 図3Aは、バルク溶液中での大腸菌をSYTOTM9およびPIで染色した際の蛍光像を示す。図3Bは、実施例2で作製したリポソーム内に封入した大腸菌をSYTOTM9およびPIで染色した際の蛍光像を示す。図3Cは、バルク溶液及びリポソーム内での大腸菌の生存率を示すグラフである。FIG. 3A shows fluorescent images of E. coli in bulk solution stained with SYTO 9 and PI. FIG. 3B shows fluorescence images of E. coli encapsulated in the liposomes prepared in Example 2 and stained with SYTO 9 and PI. FIG. 3C is a graph showing the viability of E. coli in bulk solution and liposomes. 図4は、BiotinとNeutravidinとを介して、大腸菌を封入するリポソームをガラス基板上に固定化し、37度で培養を行った際のリポソームの写真図である。FIG. 4 is a photograph of liposomes obtained by immobilizing liposomes encapsulating E. coli on a glass substrate via biotin and neutravidin and culturing the liposomes at 37°C.

本発明は、一態様において、両親媒性分子の二分子膜から構成されるベシクルを用いて細胞を培養する方法に関し、当該方法は、微生物が封入されたベシクルを作製する工程と、両親媒性分子から構成される平面二分子膜で表面が覆われた基板上に、固定化手段を介してベシクルを固定する工程と、ベシクル内で細胞を培養する工程とを含む。 In one aspect, the present invention relates to a method for culturing cells using a vesicle composed of a bilayer membrane of amphiphilic molecules, the method comprising the steps of producing a vesicle enclosing a microorganism; The method includes a step of fixing vesicles via fixing means onto a substrate whose surface is covered with a planar bilayer membrane composed of molecules, and a step of culturing cells in the vesicles.

ここで、本明細書において「両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクル」とは、両親媒性分子の二重膜から構成され、球殻状に閉じた膜構造を有する球状のカプセルであり、かつ、内部に液層を含むものをいう。このようなベシクルとしては、以下に限定されないが、リポソームやポリマーソームを挙げることができる。 Here, in the present specification, the term “vesicle composed of a double membrane of amphipathic molecules” refers to a spherical capsule composed of a double membrane of amphipathic molecules and having a membrane structure closed in the form of a spherical shell. and contains a liquid layer inside. Such vesicles include, but are not limited to, liposomes and polymersomes.

本発明に用いる「ベシクル」の大きさは、その内部において細胞を封入でき、かつ、安定的に細胞を長期培養可能である限りにおいて制限されず、マイクロサイズ(例えば、ベシクルの直径が1~150μm、より好ましくは5~100μm、さらに好ましくは5~50μm)やナノサイズ(例えば、ベシクルの直径が1~1000nm、より好ましくは10~1000nm、さらに好ましくは100~1000nm)とすることができる。より好ましい実施の形態においては、ベシクルはマイクロサイズである。 The size of the "vesicles" used in the present invention is not limited as long as cells can be encapsulated therein and cells can be stably cultured for a long period of time. , more preferably 5 to 100 μm, still more preferably 5 to 50 μm) or nanosize (for example, the diameter of the vesicle is 1 to 1000 nm, more preferably 10 to 1000 nm, still more preferably 100 to 1000 nm). In a more preferred embodiment, the vesicles are micro-sized.

ベシクルの二重膜を構成する「両親媒性分子」としては、細胞の封入および長期培養が可能なベシクルを構成できる限りにおいて限定されず、リポソームを構成するリン脂質やポリマーソームを構成する人工的に作成された高分子などを用いることができる。このような両親媒性分子としては天然物由来、人工合成物、動物・植物細胞抽出物を使用することができる。具体的には、以下に限定されないが例えば、ホスホコリン(PC)、ホスファチジン酸(PA)、ホスファチジルグリセロール(PG)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)、ホスファチジルイノシトール(PI)、ホスファチジルセリン(PS)、Cardiolipinなどのリン脂質群;セラミド、スフィンゴミエリン、糖脂質GM1、GM3などのスフィンゴ脂質;コレステロールならびにその誘導体および酸化物などのステロール骨格を有する脂質群、DOTAPなどの正電荷を有する脂質;蛍光標識された脂質;PEGなどの高分子を標識された脂質など人工的に作成された脂質:Poly(styrene)-block-(poly(ehtylene glycol), Poly(styrene)-block-poly(acrylic acid)などのポリマーソームを構成する高分子を挙げることができる。 The "amphiphilic molecule" that constitutes the double membrane of the vesicle is not limited as long as it can constitute a vesicle capable of encapsulating cells and culturing for a long period of time. For example, a polymer prepared by As such amphiphilic molecules, naturally occurring substances, artificially synthesized substances, and animal/plant cell extracts can be used. Specifically, but not limited to, phosphocholine (PC), phosphatidic acid (PA), phosphatidylglycerol (PG), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylinositol (PI), phosphatidylserine (PS), cardiolipin, etc. sphingolipids such as ceramide, sphingomyelin, glycolipids GM1, GM3; lipids having a sterol skeleton such as cholesterol and its derivatives and oxides; positively charged lipids such as DOTAP; fluorescently labeled lipids ;Artificially created lipids such as lipids labeled with polymers such as PEG: Polymersomes such as Poly(styrene)-block-(poly(ehtylene glycol), Poly(styrene)-block-poly(acrylic acid) can be mentioned.

リン脂質の具体例としては、1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC)、1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC)、1,2-dipalmitoyl -sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC)、L-α-phosphatidylcholine (Egg PC)などのホスホコリンまたはそれらの頭部がホスファチジン酸(PA)、ホスファチジルグリセロール(PG)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)、ホスファチジルイノシトール(PI)、ホスファチジルセリン(PS)、Cardiolipinの頭部と置換されたものを挙げることができる。また、リン脂質は、解析や基板上への固定化のため、蛍光修飾されたリン脂質(例えば、蛍光修飾リン脂質Rhodamine B-1,2-Dihexadecanoyl-sn-glycero-3-Phosphoethanolamine (Rhodamine-DHPE)など)、Biotin-PEGが付加されたリン脂質(ビオチン-ポリエチレングリコール修飾リン脂質1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[biotinyl(polyethyleneglycol)-2000] (Biotin-PEG-DSPE)などを用いてもよい。その他、リポソームを構成するリン脂質として公知のものも用いることができる。 Specific examples of phospholipids include 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC), 1,2-dipalmitoyl- Phosphocholines such as sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC), L-α-phosphatidylcholine (Egg PC) or their heads are phosphatidic acid (PA), phosphatidylglycerol (PG), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylinositol (PI), phosphatidylserine (PS), those substituted with the head of Cardiolipin. Phospholipids can also be used for analysis and immobilization on substrates by fluorescently modified phospholipids (e.g., fluorescently modified phospholipid Rhodamine B-1,2-Dihexadecanoyl-sn-glycero-3-Phosphoethanolamine (Rhodamine-DHPE ), biotin-PEG-attached phospholipids (biotin-polyethylene glycol-modified phospholipids 1,2-distaroyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[biotinyl(polyethyleneglycol)-2000] (Biotin-PEG- DSPE), etc. In addition, known phospholipids constituting liposomes can also be used.

リン脂質の構成比は、用いる脂質や目的に応じて適宜調整することができる。例えば、マイクロサイズのリポソーム作製の一例として、3種類の脂質POPC:Rhodamine-DHPE:Biotin-PEG2000-DSPEを1mM: 0.001mM: 0.002mMの割合で混合したものを用いることができる。
また、ポリマーソームを構成する高分子としては、例えば、上記のPoly(styrene)-block-(poly(ehtylene glycol), Poly(styrene)-block-poly(acrylic acid)などを好適に用いることができる。その他、ポリマーソームを構成する高分子として公知のもの(例えば、特開2011-183309号公報に開示される高分子)を用いることができる。
The composition ratio of the phospholipid can be appropriately adjusted according to the lipid used and the purpose. For example, as an example of preparation of micro-sized liposomes, a mixture of three kinds of lipids POPC: Rhodamine-DHPE: Biotin-PEG2000-DSPE at a ratio of 1 mM:0.001 mM:0.002 mM can be used.
As the polymer constituting the polymersome, for example, Poly(styrene)-block-(poly(ehtylene glycol), Poly(styrene)-block-poly(acrylic acid), etc. can be preferably used. In addition, known polymers constituting polymersomes (for example, polymers disclosed in JP-A-2011-183309) can be used.

また、本発明の方法に適用可能な細胞としては、ベシクル内で生育または増殖可能な細胞であれば特に制限されず、例えば、大腸菌、枯草菌、放線菌、根粒菌などを挙げることができる。ベシクルに封入する細胞として微生物を用いる場合は、環境由来の微生物であってもよく、または遺伝子導入などが施された組換え微生物など、人工的に作製されたものであってもよい。 Cells applicable to the method of the present invention are not particularly limited as long as they can grow or proliferate in vesicles, and examples thereof include Escherichia coli, Bacillus subtilis, actinomycetes, and rhizobia. When microorganisms are used as cells to be encapsulated in vesicles, they may be environment-derived microorganisms or artificially produced microorganisms such as recombinant microorganisms that have undergone gene transfer.

本発明の培養方法に係る一実施の形態において、ベシクルに封入される細胞は環境由来の微生物とすることができる。本発明の方法は、例えば、土壌等の環境中に含まれる微生物群を対象とすることができる。環境中に含まれる微生物群をベシクルに封入させることで、各ベシクルに含まれる微生物ごとの性質に応じた増殖を観察でき、異なる増殖能を示すベシクルごとに解析や分取することができる。特に、一細胞ごとに微生物をベシクル中に封入することで、異なる生育や増殖能等を示す微生物を含むベシクルごとに単離が可能となる。 In one embodiment of the culture method of the present invention, the cells encapsulated in the vesicles can be environmental microorganisms. The method of the present invention can target, for example, a group of microorganisms contained in an environment such as soil. By encapsulating a group of microorganisms contained in the environment in vesicles, it is possible to observe the growth according to the properties of each microorganism contained in each vesicle, and it is possible to analyze and fractionate vesicles that exhibit different growth abilities. In particular, by encapsulating a microorganism in a vesicle for each cell, it becomes possible to isolate each vesicle containing microorganisms exhibiting different growth and proliferative abilities.

本発明の培養方法に係る一実施の形態において、ベシクル中に封入される細胞は、封入前に前培養を行ったものを用いることができる。本明細書において「前培養」とは、細胞濃度をある程度揃えるために、定常期まで細胞を培養することをいう。前培養の条件は、用いる細胞や目的とする培養により異なるが、例えば、大腸菌をベシクル中に封入する際には、毎回約12時間程度培養し、その後、新しい液体培地に移し替え2時間の前培養を行うことが好ましい。前培養を行うことで、毎回ほぼ同じ濃度の細胞懸濁液を得ることが出来好ましい。 In one embodiment of the culture method of the present invention, the cells to be encapsulated in the vesicles can be pre-cultured prior to encapsulation. As used herein, the term "pre-culture" refers to culturing cells to the stationary phase in order to make the cell concentration uniform to some extent. Pre-culture conditions vary depending on the cells to be used and the desired culture. Culture is preferred. By performing pre-culture, a cell suspension having approximately the same concentration can be obtained each time, which is preferable.

本発明の培養方法は、細胞が封入されたベシクルを作製する工程を含む。
ここで、リポソームを作製する方法は公知であり、例えば、下記実施例で用いた遠心機の遠心力を利用した界面通過法、この他に、ガラス基板に脂質フィルムを形成し水和・膨潤させることにより作成する静置水和法、電圧印可によって脂質フィルムからリポソームを形成するエレクトロフォーメーション法、あらかじめ脂質二分子膜を作成し、そこにノズルを近づけジェット水流を吹き付け、シャボン玉をつくる要領で作成するパルスジェット法、マイクロ流路を用いて作製する方法などにより作製することができる。
The culture method of the present invention includes a step of producing vesicles encapsulating cells.
Here, the method for producing liposomes is known, for example, the interfacial passage method using the centrifugal force of the centrifuge used in the following examples, and other methods, such as forming a lipid film on a glass substrate and hydrating/swelling it. The static hydration method, in which liposomes are formed from a lipid film by applying voltage, the electroformation method, in which a lipid bilayer is prepared in advance, a nozzle is brought close to it, and a jet of water is blown to create a soap bubble. It can be produced by a pulse jet method, a method of producing using a microchannel, or the like.

上記の遠心力を利用した界面透過法を用いたリポソームの作製方法を例示として具体的に説明する。
1.5mlのマイクロチューブ内に水溶液(リポソームの外側の溶液(外水相))を先に加え、後からリン脂質が溶けた油を積層させることで、油と水の界面に脂質単層膜(油水界面)が形成される。次に、別のチューブを用意し、リン脂質が溶けた油をチューブに加え、その油の中に、水溶液(リポソームの内側の溶液(内水相):大腸菌が封入される溶液)を加える。その後、タッピングし、マイクロサイズのエマルション(油中水滴)を作製する。作製した油中水滴を、先ほど油水界面を作製したマイクロチューブ内に全量投入し、遠心機にセット、遠心する。遠心力によって、脂質単層膜を通過し、マイクロサイズのリポソームが形成される。
また、ポリマーソームを作製する方法も公知であり、例えば、リポソームの作製方法と同様の方法を利用することにより行うことができる。またポリマーソームの作製方法は、例えば、特開2011-183309号公報を参照して実施することができる。
A method for producing liposomes using the above interface permeation method using centrifugal force will be specifically described as an example.
An aqueous solution (solution outside the liposomes (external aqueous phase)) was first added to a 1.5 ml microtube, and then the phospholipid-dissolved oil was layered to form a lipid monolayer (lipid monolayer) at the interface between oil and water. oil-water interface) is formed. Next, another tube is prepared, oil in which the phospholipid is dissolved is added to the tube, and an aqueous solution (solution inside the liposome (internal aqueous phase): solution encapsulating E. coli) is added to the oil. After that, tapping is performed to prepare a micro-sized emulsion (water-in-oil). The prepared water-in-oil droplets are put entirely into the microtube in which the oil-water interface was previously prepared, set in a centrifuge, and centrifuged. Centrifugal force penetrates the lipid monolayer to form micro-sized liposomes.
Methods for producing polymersomes are also known, and can be carried out by using, for example, methods similar to those for producing liposomes. Further, a method for producing polymersomes can be carried out with reference to, for example, JP-A-2011-183309.

リポソームやポリマーソームなどのベシクルへの細胞の封入方法は、例えば、ベシクルの内水相となる溶液中に細胞を懸濁し、当該溶液を用いて上記リポソームやポリマーソームを作製することにより達成できる。
ベシクル内に封入される細胞の数は、一細胞単位で封入されてもよく、または、二細胞以上の複数の細胞単位で封入されても良い。二細胞以上の複数の細胞単位で封入する場合、細胞は一つの種に由来するものでも良く、二種以上の細胞が封入されても良い。
本発明の一実施の形態においては、二種以上の細胞(例えば、微生物)を含むベシクルを作製しても良い。一つのベシクル内に二種以上の微生物を含むことにより、一つのベシクル内に封入された微生物間の相互作用の影響について検証することが可能となる。
また、本発明の培養方法に係る一実施の形態において、ベシクルは細胞を一単位で含むことができる。ベシクル中に一細胞単位で細胞を封入させる方法は公知である。例えば、遠心力を利用した界面透過法によりベシクルを作製する際には、細胞が内部に封入されたW/Oドロップレットの作製時に、当該W/Oドロップレット内に細胞が一細胞ずつ含まれるようにW/Oドロップレットを調製すればよい。このようなW/Oドロップレットを調製する方法は公知である(例えば、Boedicker J. Q. et al., “Detecting bacteria and determining their susceptibility to antibiotics by stochastic confinement in nanoliter droplets using plug-based microfluidics” Lab on a Chip, 2008; 8, 1265-1272)。具体的には、以下に限定されないが、ポワソン分布に従い、水相中に存在する細胞数とW/Oドロップレット数の調整をすることで、1細胞が封入されたドロップレットを作製することができる。このようなドロップレット内に含まれる微生物は、単一の細胞由来の微生物である。特に、複数種の微生物を含む試料から特定の微生物種の観察・単離を目的とする場合、ベシクル内には一細胞単位で微生物を含むことが好ましい。よって、複数の微生物種を含む微生物群を試料とした場合、異なる増殖能を示すドロップレットごとに選択的に分取することで、各微生物の解析、スケールアップに寄与することができる。
また、ドロップレット内に二種以上の微生物を封入する際にも、各種ごとに一細胞単位でドロップレット内に微生物を封入させることもできる。
A method for encapsulating cells in vesicles such as liposomes and polymersomes can be accomplished, for example, by suspending cells in a solution that serves as the internal aqueous phase of the vesicles and using the solution to prepare the liposomes and polymersomes.
The number of cells to be encapsulated in the vesicle may be one cell unit, or two or more cell units. When a plurality of cell units of two or more cells are encapsulated, the cells may be derived from one species, or two or more types of cells may be encapsulated.
In one embodiment of the present invention, vesicles containing two or more types of cells (eg, microorganisms) may be produced. By including two or more kinds of microorganisms in one vesicle, it becomes possible to verify the influence of interaction between the microorganisms encapsulated in one vesicle.
Also, in one embodiment of the culture method of the present invention, the vesicle can contain a single unit of cells. Methods for encapsulating cells in vesicles on a cell-by-cell basis are known. For example, when vesicles are produced by the interfacial permeation method using centrifugal force, each W/O droplet containing cells is contained one cell at a time when the W/O droplets containing cells are produced. A W/O droplet can be prepared as follows. Methods for preparing such W/O droplets are known (see, for example, Boedicker JQ et al., “Detecting bacteria and determining their susceptibility to antibiotics by stochastic confinement in nanoliter droplets using plug-based microfluidics” Lab on a Chip , 2008; 8, 1265-1272). Specifically, although not limited to the following, droplets containing one cell can be produced by adjusting the number of cells present in the aqueous phase and the number of W/O droplets according to the Poisson distribution. can. Microorganisms contained within such droplets are of single cell origin. In particular, when the purpose is to observe and isolate a specific microbial species from a sample containing multiple types of microorganisms, it is preferable that the vesicle contain the microorganisms on a cell-by-cell basis. Therefore, when a microbial group containing a plurality of microbial species is used as a sample, it is possible to contribute to the analysis and scale-up of each microorganism by selectively fractionating droplets that exhibit different growth abilities.
Also, when two or more types of microorganisms are encapsulated in the droplet, each type of microorganism can be encapsulated in the droplet on a cell-by-cell basis.

また、上述のように、本発明の培養方法は、一実施の形態において、ベシクル内に細胞を二細胞以上で含むことができる。各ベシクル中に複数の細胞を封入することで所望する細胞数や状態までの生育に必要な培養時間を短縮することができ好ましい。また、共生関係を持つ微生物同士が同一ベシクル内に封入された場合、微生物相互間作用等によって増殖が促進されるという効果も期待される。 Moreover, as described above, in one embodiment of the culture method of the present invention, the vesicle can contain two or more cells. By encapsulating a plurality of cells in each vesicle, it is possible to shorten the culture time required for growth to the desired cell number and state, which is preferable. In addition, when microorganisms having a symbiotic relationship are encapsulated in the same vesicle, an effect is expected that the proliferation of the microorganisms is promoted due to the interaction of the microorganisms.

ベシクル内の水相は、封入対象の細胞が生育、増殖等できる環境であれば制限されない。ベシクル内の水相を構成する溶媒として、例えば、細胞ごとに適した培養液を用いることができる。具体的には、以下に制限されないが、例えば、LB培地、NB培地、SCD培地、MS培地などを用いることができる。
ベシクル外水相は、ベシクルの構造が維持でき、かつ、ベシクル内の細胞の培養が培養可能である限りにおいて限定されず、基本的にはベシクル内の水相と同じ溶液を用いることが好ましい。また、ベシクル外水相は、ベシクル内の細胞に栄養を与える目的や培養条件に変化を与える目的で、他の成分を含むことができる。
The aqueous phase in the vesicle is not limited as long as it is an environment in which cells to be encapsulated can grow and proliferate. As a solvent that constitutes the aqueous phase in the vesicle, for example, a culture solution suitable for each cell can be used. Specifically, although not limited to the following, for example, LB medium, NB medium, SCD medium, MS medium, etc. can be used.
The aqueous phase outside the vesicle is not limited as long as the structure of the vesicle can be maintained and the cells inside the vesicle can be cultured. Basically, it is preferable to use the same solution as the aqueous phase inside the vesicle. In addition, the vesicle outer aqueous phase can contain other components for the purpose of providing nutrients to the cells in the vesicles and for the purpose of changing the culture conditions.

また、本発明の培養方法に係る一実施の形態において、ベシクルの内水相が外水相に対して比重が高くなるように調製される。ベシクルの内水相と外水相に比重差をかけることでベシクルが基板上への固定の時間を短縮し、固定化率を上げることができる。このような効果が得られる限り比重差をつける方法は限定されないが、例えばベシクルの内水相と外水相との比重に差をつけるために比重剤を用いることができる。用いる比重剤としては、ベシクルの形成や安定性に悪影響がなく、水に可溶な物質であることが好ましい。例えば、下記実施例で用いているスクロースやデキストランの他に、塩化カリウム、ポリエチレングリコール(PEG)などを挙げることができる。実際の使用にあたっては、ベシクルに浸透圧を与えてしまうとベシクルは変形や壊れてしまうので、脂質膜内外の塩濃度を均等にしていなければならない。そのため下記実施例のように、内水相にスクロース(二糖)を用い、外水相にグルコース(一糖)を用いる組み合わせや、内水相に塩化カリウム(二価)を用い、外水相に塩化ナトリウム(一価)を用いるというような組み合わせで用いることができる。内水相と外水相との浸透圧差によりベシクルの構造が変形しない限り、比重剤の組み合わせは上記のものに限定されない。 Further, in one embodiment of the culture method of the present invention, the internal aqueous phase of the vesicle is prepared to have a higher specific gravity than the external aqueous phase. By applying a difference in specific gravity between the inner aqueous phase and the outer aqueous phase of the vesicle, the immobilization time of the vesicle on the substrate can be shortened and the immobilization rate can be increased. As long as such an effect can be obtained, the method of making a difference in specific gravity is not limited, but for example, a specific gravity agent can be used to make a difference in specific gravity between the inner water phase and the outer water phase of the vesicle. The specific gravity agent to be used is preferably a water-soluble substance that does not adversely affect the formation and stability of vesicles. For example, in addition to sucrose and dextran used in the examples below, potassium chloride, polyethylene glycol (PEG) and the like can be used. In actual use, if osmotic pressure is applied to the vesicles, the vesicles will be deformed or broken, so the salt concentration inside and outside the lipid membrane must be uniform. Therefore, as in the following examples, a combination of using sucrose (disaccharide) in the inner water phase and glucose (monosaccharide) in the outer water phase, or using potassium chloride (divalent) in the inner water phase and can be used in combination such as using sodium chloride (monovalent) in As long as the structure of the vesicle is not deformed by the osmotic pressure difference between the inner water phase and the outer water phase, the combination of specific gravity agents is not limited to the above.

ベシクル内水相の比重を重くするために、内水相に添加する比重剤は、外水相に添加する比重剤の分子量よりも大きくする必要がある。内水相に添加する比重剤の分子量は、特に限定されないが、好ましくは外水相に添加する比重剤の分子量の1.5倍~3倍程度、さらに好ましくは、1.8倍から2倍程度である。
また、内水相に添加する比重剤のモル濃度と、外水相に添加する比重剤のモル濃度は浸透圧差がないように実質的に同じとする。ここで、「実質的に同じ」とは、同じか又は異なってはいるが、その差はベシクルの形成や安定性に悪影響を与えない程度に小さいことを意味し、好ましくは、内水相に添加する比重剤のモル濃度は、外水相に添加する比重剤のモル濃度の90%~110%、さらに好ましくは95%~105%、最も好ましくは100%(モル濃度が同じ)である。
比重剤として内水相にスクロースを用い、外水相にグルコースを用いる場合、比重剤の濃度は50mM~1Mとすることができ、より好ましくは100mM~500mM、さらに好ましくは200mM~400mMである。他の比重剤を用いる場合、当業者は適宜比重剤の添加濃度を調整することができる。
In order to increase the specific gravity of the inner water phase of the vesicle, the specific gravity agent added to the inner water phase must have a higher molecular weight than the specific gravity agent added to the outer water phase. The molecular weight of the specific gravity agent added to the inner water phase is not particularly limited, but is preferably about 1.5 to 3 times, more preferably 1.8 to 2 times the molecular weight of the specific gravity agent added to the outer water phase. degree.
Also, the molar concentration of the specific gravity agent added to the inner water phase and the molar concentration of the specific gravity agent added to the outer water phase are substantially the same so that there is no osmotic pressure difference. Here, "substantially the same" means that they are the same or different, but the difference is small enough not to adversely affect the formation and stability of vesicles. The molar concentration of the specific gravity agent to be added is 90% to 110%, more preferably 95% to 105%, most preferably 100% (same molar concentration) of the molar concentration of the specific gravity agent added to the external aqueous phase.
When sucrose is used as a specific gravity agent in the internal aqueous phase and glucose is used in the external aqueous phase, the concentration of the specific gravity agent can be 50 mM to 1 M, more preferably 100 mM to 500 mM, and still more preferably 200 mM to 400 mM. When other specific gravity agents are used, those skilled in the art can appropriately adjust the concentration of the specific gravity agents.

本発明の培養方法は、細胞が封入されたベシクルを作製する工程の後、両親媒性分子から構成される平面二重膜で表面が覆われた基板上に、固定化手段を介してベシクルを固定する工程を含む。 In the culture method of the present invention, after the step of producing vesicles in which cells are encapsulated, the vesicles are placed on a substrate whose surface is covered with a planar double membrane composed of amphipathic molecules via immobilization means. Including the step of fixing.

本明細書において、「両親媒性分子から構成される平面二重膜」とは、基板上を覆うための二重膜であって、長時間の培養条件下においてベシクルが直接基板に接触して崩壊するのを防ぐために用いられる。
平面二重膜を構成する両親媒性分子としては、長時間の培養条件下においてベシクルが直接基板に接触することを防ぐことができる限りにおいて限定されず、上記に列挙するようなリポソームやポリマーソームを形成する脂質や高分子を用いることができる。複数の脂質や高分子を組み合わせて用いる場合も、ベシクルの作製にならい適宜構成成分の構成比を調製可能である。
As used herein, the term “planar double membrane composed of amphipathic molecules” refers to a double membrane that covers a substrate, and the vesicles are in direct contact with the substrate under long-term culture conditions. Used to prevent collapse.
The amphipathic molecules constituting the planar double membrane are not limited as long as they can prevent the vesicles from directly contacting the substrate under long-term culture conditions, and include liposomes and polymersomes such as those listed above. Lipids and macromolecules that form Even when a plurality of lipids or polymers are used in combination, it is possible to appropriately adjust the composition ratio of the constituent components according to the production of vesicles.

本発明に用いることのできる「基板」は、細胞培養に用いることができれば限定されず、顕微鏡下において培養中の細胞が観察できる程度に透明なものであることが好ましい。例えば、ガラス基板、PDMS樹脂、透明アクリル板などを用いることができる。ガラス基板としては市販のもの(例えば、松浪硝子工業、カバーガラス30×40、厚さNo.3(0.25mm-0.35mm)を用いることができる。また、培養中または顕微鏡観察時に蓋をする役割で使うカバーガラスも市販のもの(松浪硝子工業、カバーガラス18×18、厚さNo.1(0.12mm-0.17mm)を用いることができる。 The "substrate" that can be used in the present invention is not limited as long as it can be used for cell culture, and is preferably transparent enough to allow observation of cells in culture under a microscope. For example, a glass substrate, PDMS resin, transparent acrylic plate, or the like can be used. Commercially available glass substrates (for example, Matsunami Glass Co., Ltd., cover glass 30 × 40, thickness No. 3 (0.25 mm to 0.35 mm) can be used. It also serves as a lid during culture or microscopic observation. A commercially available cover glass (Matsunami Glass Industry Co., Ltd., cover glass 18×18, thickness No. 1 (0.12 mm to 0.17 mm) can be used.

基板上に平面二重膜を形成する方法を具体的に説明する。下記では、両親媒性分子から構成される平面二重膜の原料としてナノサイズリポソームを用いる方法を例示する。なお、基板上に平面二重膜を形成する方法は下記に限定されない。
まず、ナノサイズリポソーム溶液を調製し、ナノサイズリポソーム溶液をガラス基板上に撒く。ナノサイズリポソーム溶液が乾燥しないように気をつけながら、30分静置する。静置によりリポソームがガラス基板と接触することで壊れ、自発的にガラス基板上に脂質二分子膜が形成される。
A method for forming a planar double film on a substrate will be specifically described. A method using nano-sized liposomes as a raw material for a planar bilayer membrane composed of amphipathic molecules is exemplified below. In addition, the method of forming a planar double film on a substrate is not limited to the following.
First, a nano-sized liposome solution is prepared, and the nano-sized liposome solution is spread on a glass substrate. Allow to stand for 30 minutes while taking care not to dry the nano-sized liposome solution. Upon standing, the liposomes come into contact with the glass substrate and break, spontaneously forming a lipid bilayer on the glass substrate.

なお、ナノサイズリポソームの製造方法は公知であり、例えば、以下のようにして製造することができる。
ガラスバイアルチューブ(ダーラム管)に、クロロホルム/メタノール混合溶液(2/1 v/v)中に脂質成分(平面二重膜となる両親媒性分子)が溶けた脂質溶液を加える。有機溶剤を飛ばし、ガラス壁面に脂質で出来たフィルムを形成する。その後、完全にクロロホルム/メタノールを飛ばすために、真空デシケーター内で1時間程度置いておく。1時間後、溶液(LB培地とグルコースの混合溶液)を適量加えて、超音波洗浄機で1時間ソニケーションを行い、脂質成分を溶液に溶かし込む。脂質成分が溶解した溶液とエクストルーダーを用いて、ナノサイズのリポソームを作製する。
基板上を覆う平面二重膜は基板全体を覆うことが好ましいが、長時間の培養条件下においてベシクルが直接基板に接触して崩壊するのを防ぐことが可能な限りにおいて、基板上を部分的に覆う形態であってもよい。
Methods for producing nano-sized liposomes are known, and can be produced, for example, as follows.
A lipid solution in which lipid components (amphipathic molecules forming a planar bilayer membrane) are dissolved in a chloroform/methanol mixed solution (2/1 v/v) is added to a glass vial tube (Durham tube). It evaporates the organic solvent and forms a lipid film on the glass wall. After that, it is placed in a vacuum desiccator for about 1 hour in order to completely remove the chloroform/methanol. After 1 hour, an appropriate amount of solution (mixed solution of LB medium and glucose) is added, and sonication is performed for 1 hour with an ultrasonic cleaner to dissolve the lipid components into the solution. Nano-sized liposomes are produced using a solution in which lipid components are dissolved and an extruder.
The planar double membrane covering the substrate preferably covers the entire substrate, but partially covers the substrate as long as it is possible to prevent the vesicles from directly contacting the substrate and collapsing under long-term culture conditions. It may be in a form that covers the

上述のようにして作成された両親媒性分子から構成される平面二重膜で表面が覆われた基板上に、固定化手段を介してベシクルを固定する。
本明細書において「固定化手段」とは、培養中のベシクルが対流などにより移動しないように、基板上の平面二重膜に固定するための手段をいう。本発明に用いられる固定化手段としては、基板上の平面二重膜と細胞を封入するベシクルとを固定でき、かつ、細胞の培養を阻害しないものである限り限定されない。
このような固定化手段としては、以下に限定されないが、例えば、Biotinタンパク質およびAvidinタンパク質の組み合わせ、コレステリル基を有する疎水化オリゴヌクレオチドおよび当該オリゴヌクレオチドに相補的な配列を有するリンカーオリゴヌクレオチドの組み合わせなどを挙げることができる。
好ましい一実施の形態においては、固定化手段はBiotinタンパク質およびAvidinタンパク質の組み合わせである。固定化手段としてBiotinタンパク質およびAvidinタンパク質を用いる場合、例えば、以下のようにして固定することができる。まず、ベシクルおよび基板上の平面二重膜を構成する成分中にBiotinが付加された脂質や高分子を用いて細胞が封入されたベシクルの調製、および、基板上への平面二重膜の形成を行う。平面二重膜で覆われた基板上に、細胞が封入されたベシクルを含む溶液を添加するが、このときAvidinを添加しておくことで、ベシクルを構成する二重膜から伸びるBiotinと溶液中のAvidinが結合し、かつ、基板上の平面二重膜から伸びるBiotinと溶液中のAvidinが結合することによりベシクルが基板上(より詳細には基板上の平面二重膜上)に固定される。なお、固定化手段としてBiotinタンパク質およびAvidinタンパク質を用いる場合、ベシクルおよび平面二重膜を構成する両親媒性分子としてBiotinが導入されたリン脂質などを用いることができ、市販の1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[biotinyl(polyethyleneglycol)-2000] (Biotin-PEG-DSPE)などを用いることができる。また、Avidinタンパク質として、市販のNeutravidin(Thermo Fisher Scientific, 31000)などを用いることができる。
A vesicle is immobilized via immobilization means on a substrate whose surface is covered with a planar double membrane composed of amphiphilic molecules prepared as described above.
As used herein, the term "immobilization means" refers to means for immobilizing vesicles in culture on a planar double membrane on a substrate so that the vesicles are not moved by convection or the like. The immobilizing means used in the present invention is not limited as long as it can immobilize the planar double membrane on the substrate and the vesicles encapsulating cells and does not inhibit cell culture.
Examples of such immobilization means include, but are not limited to, a combination of a Biotin protein and an Avidin protein, a combination of a hydrophobized oligonucleotide having a cholesteryl group and a linker oligonucleotide having a sequence complementary to the oligonucleotide, and the like. can be mentioned.
In one preferred embodiment, the immobilization means is a combination of Biotin and Avidin proteins. When Biotin protein and Avidin protein are used as immobilization means, they can be immobilized, for example, as follows. First, preparation of vesicles encapsulating cells using lipids and polymers with biotin added to the components constituting the planar bilayer membrane on the vesicle and substrate, and formation of the planar bilayer membrane on the substrate. I do. A solution containing vesicles in which cells are encapsulated is added to the substrate covered with the planar double membrane. Avidin binds, and Biotin extending from the planar double membrane on the substrate binds to Avidin in the solution, so that the vesicle is fixed on the substrate (more specifically, on the planar double membrane on the substrate). . When Biotin protein and Avidin protein are used as immobilization means, biotin-introduced phospholipids can be used as amphipathic molecules constituting vesicles and planar bilayer membranes. -sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[biotinyl(polyethyleneglycol)-2000] (Biotin-PEG-DSPE) and the like can be used. As the Avidin protein, commercially available Neutravidin (Thermo Fisher Scientific, 31000) can be used.

また、コレステリル基を有する疎水化オリゴヌクレオチドおよび当該オリゴヌクレオチドに相補的な配列を有するリンカーオリゴヌクレオチドの組み合わせを介して、ベシクルを基板上に固定化する手法としては、例えば、オリゴヌクレオチドとリン脂質とからなるサポ―テッドメンブレンで基板上を覆い、コレステリル基を有する疎水化オリゴヌクレオチドを含んだリポソームを調整し、基板上のメンブレンから伸びるオリゴヌクレオチドとリポソームの表面上に伸びるオリゴヌクレオチドとをリンカーオリゴヌクレオチドを介すことでリポソームを基板上に固定化することができる。 In addition, as a method for immobilizing vesicles on a substrate through a combination of a hydrophobic oligonucleotide having a cholesteryl group and a linker oligonucleotide having a sequence complementary to the oligonucleotide, for example, an oligonucleotide and a phospholipid The substrate is covered with a supported membrane composed of The liposomes can be immobilized on the substrate through the

リポソームを構成する脂質二重膜中に、Biotinタンパク質やオリゴヌクレオチドが付加された両親媒性分子を導入する際、他のリン脂質に対する割合は用いる固定化手段などにより適宜設定することができ、例えば、0.1mol%~100mol%の範囲で導入することが好ましく、0.2mol%~5mol%の範囲で導入することがより好ましい。
また、基板上の平面二重膜中に、ビオチン結合性タンパク質を有する両親媒性分子や疎水化オリゴヌクレオチドなどの固定化手段を導入する際、他のリン脂質に対する割合も適宜設定することができ、例えば、0.1mol%~100mol%の範囲で導入することが好ましく、0.2mol%~5mol%の範囲で導入することがより好ましい。
When introducing an amphipathic molecule to which a biotin protein or an oligonucleotide is added into the lipid bilayer membrane that constitutes a liposome, the ratio to other phospholipids can be appropriately set by the immobilization means used. , preferably in the range of 0.1 mol % to 100 mol %, more preferably in the range of 0.2 mol % to 5 mol %.
In addition, when introducing an immobilizing means such as an amphipathic molecule having a biotin-binding protein or a hydrophobic oligonucleotide into the planar bilayer membrane on the substrate, the ratio to other phospholipids can be appropriately set. For example, it is preferably introduced in the range of 0.1 mol % to 100 mol %, more preferably in the range of 0.2 mol % to 5 mol %.

なお、本発明の培養方法に係る一実施の形態において、ベシクルの基板上への固定は、コレステリル基を有する疎水化オリゴヌクレオチドと当該疎水化オリゴヌクレオチドに相補性を有するリンカーオリゴヌクレオチドとを介して固定されるものを含まない。 In one embodiment of the culture method of the present invention, vesicles are immobilized on a substrate via a hydrophobized oligonucleotide having a cholesteryl group and a linker oligonucleotide complementary to the hydrophobized oligonucleotide. Does not include fixed items.

本発明の培養方法は、ベシクルを基板上に固定した後、ベシクル内で細胞を培養する工程を含む。
基板上に固定したベシクル内で細胞を培養する際の培養条件は、ベシクル内に含まれる細胞が生育や増殖等できる条件であれば特に制限されず、当業者であれば、培養の目的や培養の対象となる微生物に応じて適宜好ましい培養条件を設定することができる。以下に限定されないが、例えば、温度条件は4~95℃とすることができる。培養時間も特に制限されず、少なくとも1時間以上行うことができ、例えば、好ましくは24時間以上行うことができる。
The culturing method of the present invention includes a step of culturing cells in the vesicles after immobilizing the vesicles on a substrate.
Culture conditions for culturing cells in vesicles immobilized on a substrate are not particularly limited as long as the cells contained in the vesicles can grow and proliferate. Preferable culture conditions can be appropriately set according to the target microorganism. For example, but not limited to, the temperature condition can be 4 to 95°C. The culturing time is also not particularly limited, and can be carried out for at least 1 hour or longer, for example, preferably 24 hours or longer.

本発明の培養方法に係る一実施の形態において、培養工程は、ベシクルの内水相および/または外水相の環境を変化させながら培養することを含む。
ここで、内水相および/または外水相の環境の変化とは、例えば、pHの変化、温度変化、成長活性因子などの添加、抗生物質などの成長抑制因子などの添加などを挙げることができる。このような環境の変化を与えることで培養中の細胞の生育への影響を観察することができる。
In one embodiment of the culturing method of the present invention, the culturing step includes culturing while changing the environment of the internal aqueous phase and/or external aqueous phase of the vesicle.
Here, changes in the environment of the internal water phase and/or the external water phase include, for example, changes in pH, changes in temperature, addition of growth activating factors, addition of growth inhibitors such as antibiotics, and the like. can. It is possible to observe the effects on the growth of cells in culture by giving such environmental changes.

培養工程において、ベシクル中の細胞は顕微鏡下で観察することが可能である。これにより、リアルタイムに培養中の細胞の挙動を解析、評価することができる。
すなわち、本発明の培養方法に係る一実施の形態において、培養工程は、リアルタイムに細胞の増殖を観察しながら培養を行う工程であって、所望の状態となるまで前記細胞を培養する工程とすることができる。
ここで、「所望の状態」とは、培養している細胞の細胞密度、細胞の形状などを含む。このように、本実施の培養方法は、リポソーム中で培養する細胞をリアルタイムにモニタリングすることで細胞密度などの細胞の状態を観察・制御可能な手法である。
In the culture process, cells in the vesicle can be observed under a microscope. This makes it possible to analyze and evaluate the behavior of cells in culture in real time.
That is, in one embodiment of the culturing method of the present invention, the culturing step is a step of culturing cells while observing cell growth in real time, and culturing the cells until a desired state is achieved. be able to.
Here, the "desired state" includes the cell density of cultured cells, cell shape, and the like. As described above, the culture method of the present embodiment is a technique that enables observation and control of cell conditions such as cell density by real-time monitoring of cells cultured in liposomes.

本発明は、一態様として、両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルを用いて細胞を培養する方法に用いるキットを提供する。
本発明のキットは、(1)ベシクルおよび/または平面二重膜を構成するための両親媒性分子と、(2)ベシクルを平面二重膜上に固定するための手段とを含む。
(1)ベシクルおよび/または平面二重膜を構成するための両親媒性分子と、(2)ベシクルを平面二重膜上に固定するための手段は、本発明の培養方法として上記に開示するものを含む。また本発明のキットには、上記の構成以外のものも含まれてよく、比重剤、培養液、培養皿などが含まれていても良い。
One aspect of the present invention provides a kit for use in a method of culturing cells using a vesicle composed of a double membrane of amphipathic molecules.
The kit of the present invention comprises (1) amphipathic molecules for constructing vesicles and/or planar bilayer membranes, and (2) means for immobilizing vesicles on planar bilayer membranes.
(1) amphipathic molecules for constructing vesicles and/or planar double membranes, and (2) means for immobilizing vesicles on planar double membranes are disclosed above as the culture method of the present invention. Including things. The kit of the present invention may also contain components other than those described above, such as a specific gravity agent, a culture solution, a culture dish, and the like.

以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本明細書中で引用する文献の内容は、本明細書に参照として組み込まれる。
なお、以下の実施例では、両親媒性分子の二重膜から構成されるベシクルとしてリポソームを採用し、当該リポソームに封入する細胞として大腸菌を用いた例を具体的に示す。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these. Also, the contents of the documents cited herein are incorporated herein by reference.
In the following examples, liposomes are used as vesicles composed of bilayer membranes of amphipathic molecules, and E. coli cells are used as cells to be encapsulated in the liposomes.

(実施例1:リポソームのガラス基板への固定化)
スライドガラス(松浪硝子工業、カバーガラス30×40、厚さNo.3(0.25mm-0.35mm)のガラス基板上に穴(穴の直径は、約7mm)を空けた両面テープ(厚さ1mm)を貼る。その穴に、エクストルーダー(Avanti polar lipids, 610000)を使用して作製した100nmのサイズのナノサイズリポソーム溶液(溶液はLB培地と200mMグルコース溶液の混合溶液)を添加し30分ほど静置した。静置することにより、ナノサイズリポソームがガラス基板に接触し、リポソームが崩壊することで平面脂質二分子膜を基板上に形成する。なお、ナノサイズリポソームの脂質二重膜を構成する脂質の組成は、POPC:Biotin-PEG2000-DSPE=1mM: 0.002mMである。30分の静置後、LB培地と200mMグルコース溶液の混合溶液でガラス基板上のwashを2回行ったのち、Neutravidin溶液(Thermo Fisher Scientific, 31000)(溶媒としてはLB培地と200mMグルコース溶液の混合溶液を使用)を添加し30分ほど静置した。その後同じくLB培地と200mMグルコース溶液の混合溶液でwashを2回行った。最後にマイクロサイズリポソームを添加し、観察を開始した。マイクロサイズリポソームは、卓上遠心機の遠心力を利用して、界面透過法によって作製した。マイクロサイズリポソームの脂質二重膜を構成する脂質の組成は、POPC:Rhodamine-DHPE:Biotin-PEG2000-DSPEを1mM: 0.001mM: 0.002mMを用いた。
その結果、観察開始後24時間経過しても70%以上のマイクロリポソームが壊れることなく観察することができた。これは、ガラス基板に平面脂質二分子膜が敷いてあるので、リポソームとガラス基板の直接的な接触による崩壊が抑えられたためと考えられる。また、ガラス基板上にマイクロリポソームを固定することで、ヒートステージで熱を加えても、対流によるリポソームのブラウン運動による移動を抑えることができ、同じく基板との直接的な接触を防げたためであると考えらえる。
(Example 1: Immobilization of liposomes on a glass substrate)
Slide glass (Matsunami glass industry, cover glass 30 × 40, thickness No. 3 (0.25 mm to 0.35 mm) glass substrate, double-sided tape (thickness 1 mm) with holes (hole diameter: about 7 mm) A 100 nm size nano-sized liposome solution (mixed solution of LB medium and 200 mM glucose solution) prepared using an extruder (Avanti polar lipids, 610000) was added to the hole and left to stand for about 30 minutes. By standing still, the nanosized liposomes come into contact with the glass substrate, and the liposomes collapse to form a planar lipid bilayer on the substrate, which constitutes the lipid bilayer membrane of the nanosized liposomes. The lipid composition is POPC: Biotin-PEG2000-DSPE=1 mM:0.002 mM After standing for 30 minutes, the glass substrate was washed twice with a mixed solution of LB medium and 200 mM glucose solution, and then Neutravidin was applied. Solution (Thermo Fisher Scientific, 31000) (using a mixed solution of LB medium and 200 mM glucose solution as the solvent) was added and allowed to stand for about 30 minutes, then washed twice with a mixed solution of LB medium and 200 mM glucose solution. Finally, micro-sized liposomes were added and observation was started.Micro-sized liposomes were prepared by the interfacial permeation method using the centrifugal force of a tabletop centrifuge.Constructing the lipid bilayer membrane of micro-sized liposomes. The lipid composition used was POPC: Rhodamine-DHPE: Biotin-PEG2000-DSPE at 1 mM: 0.001 mM: 0.002 mM.
As a result, 70% or more of the microliposomes could be observed without breaking even after 24 hours from the start of observation. This is probably because the glass substrate was covered with a planar lipid bilayer membrane, which prevented the liposomes from collapsing due to direct contact with the glass substrate. In addition, by fixing the microliposomes on the glass substrate, even if heat is applied on the heat stage, the movement of the liposomes due to Brownian motion due to convection can be suppressed, and direct contact with the substrate can also be prevented. That's what I think.

(実施例2:リポソーム内への大腸菌の封入)
リポソームへ封入する大腸菌は、LB培地中でOD600=1.1~1.5となるまで前培養(約2時間程度培養)したものを用いた。前培養後の大腸菌は、実験時に1/100倍に希釈し使用した。大腸菌を封入するリポソームの作製方法は卓上遠心機の遠心力を利用した界面通過法を用いて行った。
まず、大腸菌が封入されたW/Oドロップレットを作製した。作製方法は、0.6mLマイクロチューブに、脂質(POPC:Rhodamine-DHPE:Biotin-PEG2000-DSPEを1mM: 0.001mM: 0.002mM)が溶けたミネラルオイル(ナカライテスク、23334-85)を入れ、そこに、大腸菌を1/100倍に希釈した溶液(希釈溶液は、LB培地と200mMスクロース溶液の混合溶液)を加え、タッピングによって作製した。W/Oドロップレットの直径は、約1~100μm程度とした。W/Oドロップレットの水相として用いた溶液は、上記で希釈した大腸菌を含むLB培地にスクロース(終濃度200mM)を用いた。油相にはPOPC:Rhodamine-DHPE:Biotin-PEG2000-DSPEを1mM: 0.001mM: 0.002mMの組成比を有するものを用いた。大腸菌が封入されたW/Oドロップレットを作製後、当該W/Oドロップレットを脂質で覆われた油と水溶液(200mMグルコース含有LB培地)の界面を通過させることで、大腸菌が封入された脂質二分子膜を有するマイクロサイズリポソームを作製した(図2A)。本実施例では、脂質膜をRhodamine-DHPE(赤色)と大腸菌をSYTO TM 9(緑色)で染色し蛍光像を取得した。大腸菌の染色は、大腸菌を1/100倍に希釈した溶液を作製する際に、SYTOTM9を溶液に一緒に加え、20分ほど静置して行った。また、本実施例では、同時に位相差像でも大腸菌が封入されているか観察を行った。大腸菌を封入したマイクロサイズリポソームの顕微鏡写真を図2Bに示す。図2Bに示すように、1つのリポソーム中に2個程度から数えられないくらいの数の大腸菌を封入されていることが観察できた。また、大腸菌が封入されたマイクロサイズリポソームの大きさは約20μmであった。
(Example 2: Encapsulation of E. coli in liposomes)
E. coli to be encapsulated in liposomes was pre-cultured (cultivated for about 2 hours) in LB medium until OD600 was 1.1-1.5. The pre-cultured E. coli was diluted to 1/100 and used in the experiment. Escherichia coli-encapsulating liposomes were produced using the interfacial passage method using the centrifugal force of a desktop centrifuge.
First, W/O droplets encapsulating E. coli were prepared. The preparation method is to put mineral oil (Nacalai Tesque, 23334-85) in which lipids (POPC: Rhodamine-DHPE: Biotin-PEG2000-DSPE are 1mM: 0.001mM: 0.002mM) dissolved in a 0.6mL microtube. , was prepared by adding a 1/100-fold diluted solution of E. coli (diluted solution is a mixed solution of LB medium and 200 mM sucrose solution) and tapping. The diameter of the W/O droplet was about 1 to 100 μm. The solution used as the aqueous phase of the W/O droplets was LB medium containing E. coli diluted above and sucrose (final concentration: 200 mM). The oil phase used was POPC: Rhodamine-DHPE: Biotin-PEG2000-DSPE with a composition ratio of 1 mM:0.001 mM:0.002 mM. After preparing a W/O droplet in which E. coli is encapsulated, the W/O droplet is passed through the interface of the lipid-covered oil and aqueous solution (LB medium containing 200 mM glucose) to obtain the lipid in which E. coli is encapsulated. Micro-sized liposomes with bilayer membranes were produced (Fig. 2A). In this example, lipid membranes were stained with Rhodamine-DHPE (red) and Escherichia coli with SYTO™ 9 (green), and fluorescence images were obtained. Staining of Escherichia coli was performed by adding SYTO 9 to the solution when preparing a 1/100-fold diluted solution of Escherichia coli and allowing the solution to stand for about 20 minutes. In addition, in the present example, at the same time, phase-contrast images were also used to observe whether E. coli was encapsulated. A micrograph of micro-sized liposomes encapsulating E. coli is shown in FIG. 2B. As shown in FIG. 2B, it was observed that a single liposome encapsulated from about two to an uncountable number of E. coli. The size of the micro-sized liposome encapsulating E. coli was about 20 µm.

(実施例3:リポソーム内での大腸菌の生存率解析)
実施例2に記載の大腸菌封入マイクロサイズリポソームの作製過程において、マイクロサイズリポソーム中に封入された大腸菌の生存率について解析した。解析方法は、生菌と死菌の両方を染色するSYTOTM9と呼ばれる染色剤と、死菌のみを染色するPropidium iodide(PI)と呼ばれる染色剤を用いて行った。具体的には、当該染色剤を用いて大腸菌を染色し、各々の蛍光を励起する波長の光を照射し、大腸菌が発する蛍光の色から生存率を解析した。生きている大腸菌は緑色を示すのに対し、死んだ大腸菌は赤色もしくは黄色(赤と緑の重ね合わせ)を示す。大腸菌の生存率を解析すると、マイクロサイズリポソームに封入する前の培養液中の大腸菌では、100%の割合で生きた大腸菌が観察されたが、マイクロサイズリポソームに封入した場合93%程度になることがわかった。いくらかの大腸菌は死んでしまうが、ほぼ非侵襲的に大腸菌をリポソームに封入できることが示された。
(Example 3: Escherichia coli viability analysis in liposomes)
In the process of producing the E. coli-encapsulated micro-sized liposome described in Example 2, the survival rate of E. coli encapsulated in the micro-sized liposome was analyzed. The analysis method used a staining agent called SYTO TM 9, which stains both live and dead bacteria, and a staining agent called propidium iodide (PI), which stains only dead bacteria. Specifically, Escherichia coli was stained with the staining agent, irradiated with light having a wavelength that excites each fluorescence, and the viability was analyzed from the color of fluorescence emitted by Escherichia coli. Live E. coli appear green, while dead E. coli appear red or yellow (red and green superimposed). When the survival rate of E. coli was analyzed, 100% of E. coli was observed in the culture medium before encapsulation in micro-sized liposomes, but when encapsulated in micro-sized liposomes, it was about 93%. I found out. It was shown that E. coli can be encapsulated in liposomes almost non-invasively, although some E. coli die.

(実施例4:リポソーム内での大腸菌の高密度培養)
マイクロサイズリポソーム内に封入された大腸菌の培養実験を行った。大腸菌が封入されたマイクロサイズリポソームは、実施例2に記載の方法により作製したものを用いた。また、大腸菌が封入されたマイクロサイズリポソームは、実施例1に記載の方法と同様に、穴の空いた両面テープが貼られたスライドガラス上に固定した。すなわち、ガラス基板はその表面に脂質二分子膜を形成させたものを用いた。また、脂質二分子膜上のBiotinと、Neutravidinと、マイクロサイズリポソームを構成する脂質二分子膜上のBiotinとを介してマイクロサイズリポソームをガラス基板上(より詳細には、ガラス基板上の脂質二分子膜上)に固定化した。培養時には、両面テープの上からカバーガラスを覆い、顕微鏡のステージ温度を37度にセットして培養を行った。培養中、カメラを用いて、1リポソームの中にいる大腸菌の増殖程度を、写真を撮影して確認した。
撮影した写真図を図4に示す。図4に示すように、培養スタート時では数えられる程度の大腸菌が封入されていたが、時間が経過するとともに、大腸菌が増殖し、数えるのが困難な状況まで増殖した。以上のように、マイクロサイズリポソーム内での大腸菌の培養ができることを明らかにした。
(Example 4: High-density culture of E. coli in liposomes)
A culture experiment of Escherichia coli encapsulated in micro-sized liposomes was performed. E. coli-encapsulated micro-sized liposomes prepared by the method described in Example 2 were used. In addition, the E. coli-encapsulated micro-sized liposomes were immobilized on a slide glass to which double-sided adhesive tape with holes was attached in the same manner as in Example 1. That is, the glass substrate used had a lipid bilayer membrane formed on its surface. In addition, micro-sized liposomes are placed on a glass substrate (more specifically, lipid bilayers on a glass substrate) via biotin on the lipid bilayer, Neutravidin, and biotin on the lipid bilayer that constitutes the micro-sized liposome. on a molecular membrane). At the time of culture, a double-sided tape was covered with a cover glass, and the stage temperature of the microscope was set at 37°C. During culturing, a camera was used to confirm the degree of growth of E. coli in one liposome by photographing.
Fig. 4 shows the photographs taken. As shown in FIG. 4, at the start of the culture, a countable number of Escherichia coli was enclosed, but as time passed, the Escherichia coli proliferated to the point where it was difficult to count. As described above, it was clarified that Escherichia coli can be cultured in microsized liposomes.

本発明の培養方法によれば、長時間の培養や環境変化に対する細胞の反応をベシクルに封入したままリアルタイムに解析できるようになる。また、適度な物質透過性を有した膜に覆われたマイクロサイズの閉鎖空間内で高密度培養することも可能である。
これまでDDSなどに使用されてきたナノサイズ(10~100nm程度)のベシクルでは、細胞の封入および培養が実現不可能であった。しかしながら、本発明の方法によれば、マイクロサイズ(10~100μm程度)のベシクル内での細胞の培養を実現することが可能となり、将来的に、健康に良いとされる微生物の封入・培養の実現による医薬品・リポソーム製剤への応用展開、及び、未知微生物の封入・培養の実現によるバイオ工学・産業界への応用展開が期待出来る。
According to the culture method of the present invention, it becomes possible to analyze in real time the response of cells to long-term culture and environmental changes while the cells are encapsulated in vesicles. It is also possible to perform high-density culture in a micro-sized closed space covered with a membrane having moderate permeability.
Nano-sized (about 10 to 100 nm) vesicles, which have been used for DDS, have not been able to enclose and culture cells. However, according to the method of the present invention, it is possible to culture cells in micro-sized (approximately 10 to 100 μm) vesicles, and in the future, it will be possible to enclose and culture microorganisms that are considered to be good for health. It is expected that the development of applications to pharmaceuticals and liposome formulations by realization, and the development of applications to bioengineering and industry by realizing encapsulation and cultivation of unknown microorganisms.

Claims (13)

両親媒性分子の二分子膜から構成されるベシクルを用いて細胞を培養する方法であって、
前記細胞が封入された前記ベシクルを作製する工程と、
両親媒性分子から構成される平面二分子膜で表面が覆われた基板上に、固定化手段を介して前記ベシクルを固定する工程と、
前記ベシクル内で前記細胞を培養する工程と
を含む、培養方法。
A method for culturing cells using a vesicle composed of a bilayer membrane of amphiphilic molecules,
creating the vesicle encapsulating the cell;
a step of immobilizing the vesicles via immobilization means onto a substrate whose surface is covered with a planar bilayer membrane composed of amphipathic molecules;
and culturing the cells in the vesicle.
請求項1に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの内水相が外水相に対して比重が高くなるように調製される、培養方法。
The culture method according to claim 1,
A culture method, wherein the inner aqueous phase of the vesicle is prepared to have a higher specific gravity than the outer aqueous phase.
請求項1または2に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの直径が1~100μmの範囲内にあるものを含む、培養方法。
The culture method according to claim 1 or 2,
The culture method, wherein the vesicles have a diameter in the range of 1 to 100 μm.
請求項1~3のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定化手段が、ビオチン結合性タンパク質およびアビジン結合性タンパク質の組み合わせ、または、相補的なオリゴヌクレオチドの組み合わせである、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 3,
The culture method, wherein the means for immobilizing the vesicle on the substrate is a combination of a biotin-binding protein and an avidin-binding protein, or a combination of complementary oligonucleotides.
請求項1~4のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記ベシクルが前記細胞を一細胞単位で含む、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 4,
A culture method, wherein the vesicles contain the cells on a cell-by-cell basis.
請求項1~5のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定が、疎水オリゴヌクレオチドと当該疎水オリゴヌクレオチドに相補性を有するリンカーオリゴヌクレオチドとを介して固定されるものではない、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 5,
The culture method, wherein the immobilization of the vesicle onto the substrate is not via a hydrophobized oligonucleotide and a linker oligonucleotide having complementarity to the hydrophobized oligonucleotide.
請求項1~6のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定化手段が、ビオチン結合性タンパク質およびアビジン結合性タンパク質である、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 6,
The culture method, wherein the means for immobilizing the vesicle on the substrate is a biotin-binding protein and an avidin-binding protein.
請求項1~6のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記ベシクルの前記基板上への固定が、前記平面二分子膜上のビオチンと、前記ベシクルを構成する二分子膜上のビオチンと、前記2つのビオチンの両方に結合するアビジンを介して行われる、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 6,
The vesicle is immobilized on the substrate via biotin on the planar bilayer membrane, biotin on the bilayer membrane constituting the vesicle, and avidin that binds to both of the two biotins. culture method.
請求項1~8のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記培養工程が、前記ベシクルの内水相および/または外水相の環境を変化させながら
培養することを含む、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 8,
The culturing method, wherein the culturing step includes culturing while changing the environment of the internal aqueous phase and/or the external aqueous phase of the vesicle.
請求項1~9のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記培養工程が、リアルタイムに前記細胞の増殖を観察しながら培養を行う工程であっ
て、所望の状態となるまで前記細胞を培養する工程である、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 9,
The culturing method, wherein the culturing step is a step of culturing the cells while observing proliferation of the cells in real time, and culturing the cells until a desired state is achieved.
請求項1~10のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記細胞が、ベシクルへの封入前に前培養したものである、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 10,
A culture method, wherein the cells are pre-cultured prior to encapsulation in the vesicle.
請求項1~11のいずれか一項に記載の培養方法であって、
前記細胞を培養する工程が1時間以上培養を行う工程である、培養方法。
The culture method according to any one of claims 1 to 11,
The culture method, wherein the step of culturing the cells is a step of culturing for 1 hour or more.
請求項1~12のいずれか一項に記載の培養方法に用いるキットであって、
(1)ベシクルおよび/または平面二分子膜を構成するための両親媒性分子と
(2)前記ベシクルを平面二分子膜上に固定するための手段と
を含む、キット。
A kit for use in the culture method according to any one of claims 1 to 12,
A kit comprising (1) an amphipathic molecule for constructing a vesicle and/or a planar bilayer membrane, and (2) means for immobilizing the vesicle on the planar bilayer membrane.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011226920A (en) 2010-04-20 2011-11-10 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Functional substrate using polymerized bimolecular lipid membrane
JP2012165673A (en) 2011-02-10 2012-09-06 Japan Science & Technology Agency Method of repeating fusion and division of microcompatmenent
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9320668D0 (en) * 1993-10-07 1993-11-24 Secr Defence Liposomes containing particulare materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011226920A (en) 2010-04-20 2011-11-10 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Functional substrate using polymerized bimolecular lipid membrane
JP2012165673A (en) 2011-02-10 2012-09-06 Japan Science & Technology Agency Method of repeating fusion and division of microcompatmenent
JP2015188447A (en) 2014-03-31 2015-11-02 住友重機械工業株式会社 Autolytic vesicle

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Annual Reports of the Institute of Biomaterials and Bioengineering,2009年,Vol. 43,pp. 26-28
ChemBioChem,2016年,Vol. 17,pp. 886-889
ChemBioChem,Vol. 16,2015年,pp. 2029-2035
Langmuir,2017年,Vol. 33, No. 5,pp. 1139-1146

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