JP7253198B2 - Method for manufacturing lipid membrane device - Google Patents

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本発明は、脂質膜デバイス及び脂質膜デバイスの製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lipid membrane device and a method for manufacturing a lipid membrane device.

細胞膜に存在する膜タンパク質は多種多様であり創薬のターゲットになっている。膜タンパク質は取り扱いが難しいため、機能解析には膨大な時間と費用がかかるという問題がある。膜タンパク質を半導体基板上にアレイ化した超小型のバイオチップが実現できれば、多くの膜タンパク質の機能を同時かつ高速に解析することが可能となるため、新薬開発に要する時間の短縮や費用の低減等多くの効果が期待される。 Membrane proteins present in cell membranes are diverse and are targets for drug discovery. Since membrane proteins are difficult to handle, there is a problem that their functional analysis requires a huge amount of time and money. If we can create an ultra-compact biochip in which membrane proteins are arrayed on a semiconductor substrate, it will be possible to analyze the functions of many membrane proteins simultaneously at high speed, thereby shortening the time and cost required for new drug development. Many other effects are expected.

膜タンパク質を基板上で解析する方法としては、細胞そのものを基板上に配列し、パッチクランプ法により機能計測を行う方法がある。しかしながら、通常細胞膜上には目的とする膜タンパク質以外の膜タンパク質も複数存在しており、ある薬剤で刺激しても得られた応答が目的の膜タンパク質に起因するものなのか不明瞭であるという問題があった。そのため、精製した膜タンパク質を用いたインビトロ(in vitro)での測定系の構築が産業上あるいは研究上の実用的側面で要求されている。 As a method of analyzing membrane proteins on a substrate, there is a method of arranging cells themselves on a substrate and performing functional measurement by a patch clamp method. However, there are usually multiple membrane proteins other than the target membrane protein on the cell membrane, and it is unclear whether the response obtained by stimulation with a certain drug is due to the target membrane protein. I had a problem. Therefore, construction of an in vitro measurement system using purified membrane proteins is demanded from the industrial and practical aspects of research.

インビトロ系で代表的な膜タンパク質を配置する方法として、脂質分子をn-デカン等の有機溶媒に溶解し、水溶液中で脂質溶液を基板上に設けられた小孔に塗りつけることにより形成した黒膜に、膜タンパク質を融合させる方法(例えば、非特許文献1参照)がある。しかしながら、この手法では、形成された黒膜の残留有機溶媒や不均一性が、膜タンパク質の生理活性に影響を与える可能性が指摘されている。 As a representative method for arranging membrane proteins in vitro, a black membrane is formed by dissolving lipid molecules in an organic solvent such as n-decane and applying the lipid solution in an aqueous solution to small holes provided on a substrate. In addition, there is a method of fusing membrane proteins (see, for example, Non-Patent Document 1). However, it has been pointed out that the residual organic solvent and heterogeneity of the formed black membrane may affect the bioactivity of the membrane protein in this method.

これらの問題を改善するために、本発明者らは、シリコン等の基板上に人工的に井戸構造部を作製し、井戸開口部に巨大脂質膜ベシクルを展開させ、得られた基板上の人工脂質二重膜上に膜タンパク質を導入する手法を提案した(非特許文献2)。このように作製した人工脂質二重膜基板は、巨大脂質膜ベシクルを用いているため有機溶剤を含まない。この脂質膜中に再構成した膜タンパク質の活性は、光学的手法(蛍光観察)によって確認することができる。 In order to solve these problems, the present inventors artificially produced well structures on a substrate such as silicon, developed giant lipid membrane vesicles in the well openings, and artificially A technique for introducing membrane proteins onto the lipid bilayer membrane was proposed (Non-Patent Document 2). The artificial lipid bilayer membrane substrate thus prepared does not contain an organic solvent because it uses giant lipid membrane vesicles. The activity of the membrane protein reconstituted in this lipid membrane can be confirmed by an optical technique (fluorescence observation).

「最新パッチクランプ実験技術法」岡田泰伸 編 (2011年、吉岡書店)"Latest patch clamp experimental technique" edited by Yasunobu Okada (Yoshioka Shoten, 2011) Sumitomo K et al., Biosensors and Bioelectronics, vol.31, 445-450, 2012.Sumitomo K et al., Biosensors and Bioelectronics, vol.31, 445-450, 2012.

人工脂質二重膜へ膜タンパク質を導入するために、膜タンパク質を含んだ膜画分やプロテオリポソーム(膜タンパク質を再構成した脂質ベシクル)を人工脂質二重膜に融合させる方法がある。しかしながら、この手法では、人工脂質二重膜における膜タンパク質の配向を制御できないという問題があった。膜タンパク質はその機能と向き(配向性)に関連があるため、膜タンパク質の機能を正しく解析するためには配向制御が必要である。 In order to introduce membrane proteins into artificial lipid bilayer membranes, there is a method of fusing membrane fractions containing membrane proteins or proteoliposomes (lipid vesicles in which membrane proteins are reconstituted) to artificial lipid bilayer membranes. However, this technique has the problem that the orientation of membrane proteins in the artificial lipid bilayer membrane cannot be controlled. Since membrane proteins are related to their function and orientation (orientation), orientation control is necessary to correctly analyze the function of membrane proteins.

上記事情に鑑み、本発明は、人工脂質二重膜における膜タンパク質の配向を制御する技術を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for controlling the orientation of membrane proteins in an artificial lipid bilayer membrane.

本発明の一態様は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記基板の前記一方面上に形成され、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備える脂質膜デバイスの前記脂質二重膜に、脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を融合させ、その結果、前記脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入される工程を含む、脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法である。 One aspect of the present invention is a lipid membrane comprising a substrate having a well structure with an opening on one side, and a lipid bilayer membrane formed on the one side of the substrate and sealing the opening of the well structure. fusing the lipid bilayer membrane of the device with a lipid vesicle comprising a membrane protein within the lipid membrane, such that the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane. A method for producing a lipid membrane device into which a membrane protein is introduced.

また、本発明の一態様は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板の前記一方面に、脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を接触させ、その結果、前記脂質小胞が開裂して前記膜タンパク質を含む脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて前記井戸構造の開口部を封止し、前記脂質二重膜に膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスが形成される工程を含む、脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法である。 In one aspect of the present invention, a lipid vesicle containing a membrane protein in a lipid membrane is brought into contact with the one surface of a substrate having a well structure that is open on one surface, and as a result, the lipid vesicle is cleaved. to form a lipid bilayer membrane containing the membrane protein, to form a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane formed on the one surface to seal the opening of the well structure. A method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane, comprising the step of

また、本発明の一態様は、上記の脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法であって、前記脂質小胞が、前記膜タンパク質を発現したウイルス由来の出芽ベシクルである。 Another aspect of the present invention is a method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane described above, wherein the lipid vesicle is a budding vesicle derived from a virus expressing the membrane protein. is.

また、本発明の一態様は、上記の脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法であって、前記脂質小胞が、前記膜タンパク質を発現したウイルス由来の出芽ベシクルと巨大脂質ベシクルを融合させたものである。 Another aspect of the present invention is a method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane described above, wherein the lipid vesicle is a budding vesicle derived from a virus expressing the membrane protein. and giant lipid vesicles.

また、本発明の一態様は、一方面上に開口する複数の井戸構造を有する基板の前記一方面に、第1の脂質小胞を接触させ、その結果、前記第1の脂質小胞が開裂して第1の脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて一部の前記井戸構造の開口部を封止する工程と、前記開口部の前記第1の脂質二重膜に、脂質膜内に第1の膜タンパク質を含む第2の脂質小胞を融合させ、その結果、前記開口部の前記第1の脂質二重膜に前記第1の膜タンパク質が導入される工程と、前記基板の前記一方面に、脂質膜内に第2の膜タンパク質を含む第3の脂質小胞を接触させ、その結果、前記第3の脂質小胞が開裂して前記第2の膜タンパク質を含む第2の脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて前記井戸構造の開口部を封止し、前記第2の脂質二重膜に第2の膜タンパク質が導入される工程と、を含む、脂質二重膜に前記第1の膜タンパク質及び前記第2の膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法である。 In one aspect of the present invention, a first lipid vesicle is brought into contact with the one surface of a substrate having a plurality of well structures opening on one surface, and as a result, the first lipid vesicle is cleaved. forming a first lipid bilayer membrane and sealing a part of the openings of the well structure formed on the one surface; fusing a second lipid vesicle containing a first membrane protein within the membrane, such that the first membrane protein is introduced into the first lipid bilayer membrane at the opening; The one side of the substrate is contacted with a third lipid vesicle containing a second membrane protein within a lipid membrane, such that the third lipid vesicle is cleaved to contain the second membrane protein. forming a second lipid bilayer membrane on the one surface to seal the opening of the well structure, and introducing a second membrane protein into the second lipid bilayer membrane; A method for producing a lipid membrane device in which the first membrane protein and the second membrane protein are introduced into a lipid bilayer membrane, comprising:

また、本発明の一態様は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、前記脂質二重膜は膜タンパク質を含み、前記膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されており、前記膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されている、脂質膜デバイスである。 Further, one aspect of the present invention comprises a substrate having a well structure with an opening on one surface, and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure, wherein the lipid bilayer membrane contains a membrane protein. , wherein the extracellular domain of the membrane protein is arranged outside the sealed well structure and the intracellular domain of the membrane protein is arranged inside the sealed well structure. is.

また、本発明の一態様は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、前記脂質二重膜は膜タンパク質を含み、前記膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されており、前記膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されている、脂質膜デバイスである。 Further, one aspect of the present invention comprises a substrate having a well structure with an opening on one surface, and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure, wherein the lipid bilayer membrane contains a membrane protein. , wherein the extracellular domain of the membrane protein is arranged inside the sealed well structure, and the intracellular domain of the membrane protein is arranged outside the sealed well structure. is.

また、本発明の一態様は、一方面上に開口した第1の井戸構造及び第2の井戸構造を有する基板と、前記第1の開口部を封止する第1の脂質二重膜と、前記第2の開口部を封止する第2の脂質二重膜とを備え、前記第1の脂質二重膜は第1の膜タンパク質を含み、前記第2の脂質二重膜は第2の膜タンパク質を含み、前記第1の膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されており、前記第1の膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されており、前記第2の膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されており、前記第2の膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されている、脂質膜デバイスである。 Further, one aspect of the present invention provides a substrate having a first well structure and a second well structure that are open on one surface, a first lipid bilayer membrane that seals the first opening, a second lipid bilayer that seals the second opening, wherein the first lipid bilayer includes a first membrane protein; and the second lipid bilayer is a second lipid bilayer. a membrane protein, wherein the extracellular region of the first membrane protein is located outside the sealed well structure, and the intracellular region of the first membrane protein is located outside the sealed well structure. wherein the extracellular domain of the second membrane protein is located inside the sealed well structure and the intracellular domain of the second membrane protein is located inside the sealed well structure It is a lipid membrane device that is located outside the structure.

本発明により、人工脂質二重膜における膜タンパク質の配向を制御することが可能となる。 The present invention makes it possible to control the orientation of membrane proteins in an artificial lipid bilayer membrane.

細胞、ウイルス等に発現させた膜タンパク質を、単純に可溶化した後に脂質膜上に再構成した場合、脂質膜における膜タンパク質は2種の配向をとりうる。この場合、脂質膜における膜タンパク質の配向性を制御することは困難であり、膜タンパク質の配向性はランダムとなる。 When a membrane protein expressed in cells, viruses, etc. is simply solubilized and then reconstituted on a lipid membrane, the membrane protein on the lipid membrane can assume two orientations. In this case, it is difficult to control the orientation of the membrane protein in the lipid membrane, and the orientation of the membrane protein becomes random.

本発明によれば、表面に所望の膜タンパク質を発現したウイルス由来の出芽ベシクル(エンベロープウイルスが形成する出芽ウイルス粒子および/またはその脱核粒子)を用いて、脂質二重膜に膜タンパク質の導入を行うことにより、導入される膜タンパク質の配向性(向きの偏り)を制御することができる。 According to the present invention, a membrane protein is introduced into a lipid bilayer membrane using a virus-derived budding vesicle (a budding virus particle formed by an enveloped virus and/or its enucleated particle) expressing a desired membrane protein on its surface. can control the orientation (biased orientation) of the introduced membrane protein.

本明細書において「配向性を制御する」とは、脂質膜における膜タンパク質の向きが単一の方向に偏るように制御することをいう。膜タンパク質の配向性が高い、すなわち、膜タンパク質の向きが強く単一の方向に偏るほど、配向性を良く制御できているといえる。 As used herein, “controlling the orientation” means controlling the orientation of membrane proteins in the lipid membrane so that they are biased in a single direction. It can be said that the higher the orientation of the membrane protein, that is, the stronger the orientation of the membrane protein and the more biased toward a single direction, the better the orientation can be controlled.

ウイルスにおいて発現させた膜タンパク質は、その膜タンパク質が天然で発現している細胞等における向きと同一の向きに揃って出芽ベシクル表面に存在している。
出芽ベシクルの表面には、発現させた所望の膜タンパク質以外に、ウイルスが感染するときに必要とされるエンベロープタンパク質であるGP64が存在する。GP64は、膜融合に関与するタンパク質である。
GP64は、PS(ホスファチジルセリン)等の負電荷脂質に対して特異的に融合する。脂質膜に融合する際、導入されるタンパク質の向きは出芽ベシクルに存在していたときの配向性を維持する。
Membrane proteins expressed in viruses are present on the surface of budding vesicles in the same orientation as in cells in which the membrane proteins are naturally expressed.
On the surface of budding vesicles, besides the desired expressed membrane proteins, there is GP64, an envelope protein required for viral infection. GP64 is a protein involved in membrane fusion.
GP64 specifically fuses to negatively charged lipids such as PS (phosphatidylserine). Upon fusion with the lipid membrane, the orientation of the introduced protein maintains the orientation it had when present in the budding vesicle.

井戸構造上に形成した負電荷脂質を含む脂質二重膜に出芽ウイルスを融合させると、膜タンパク質の配向性は維持されて、井戸構造外部を細胞外部とみなした配向になる。
一方、巨大脂質ベシクルに出芽ウイルスを融合させると、同様に膜タンパク質の配向性は維持されて導入される。出芽ウイルスを融合させた巨大脂質ベシクルを井戸構造上で展開すると、巨大脂質ベシクルの外側は基板側に接し、内側が表面に現れるため膜タンパク質の向きが反転する。
井戸構造に架橋する脂質膜に出芽ベシクルを融合させる場合(1)と、出芽ベシクルを融合させた巨大脂質ベシクルを展開させる場合(2)で、膜タンパク質を逆向きに配置することができる。この二つの導入方法を使い分けること、あるいは組み合わせる事で、井戸構造を架橋する脂質膜への膜タンパク質導入において配向を制御する事が可能になる。
When a budding virus is fused to a lipid bilayer membrane containing negatively charged lipids formed on the well structure, the orientation of the membrane proteins is maintained, and the orientation outside the well structure is considered to be the outside of the cell.
On the other hand, when a budding virus is fused to a giant lipid vesicle, the orientation of membrane proteins is similarly maintained and introduced. When budding virus-fused giant lipid vesicles are spread on the well structure, the outer side of the giant lipid vesicle contacts the substrate side and the inner side appears on the surface, thus reversing the orientation of the membrane proteins.
In the case of fusing budding vesicles to lipid membranes bridging well structures (1) and in the case of developing giant lipid vesicles fusing budding vesicles (2), membrane proteins can be arranged in opposite directions. By selectively using these two introduction methods or by combining them, it becomes possible to control the orientation of membrane protein introduction into the lipid membrane that bridges the well structure.

(a)は、脂質膜50内に膜タンパク質60を含む出芽ベシクル50aの断面図である。(b)は、脂質膜デバイス1の井戸構造20付近の正断面図である。(c)は、膜タンパク質60が導入された脂質膜デバイス1Aの井戸構造20付近の正断面図である。(a) is a cross-sectional view of a budding vesicle 50a containing a membrane protein 60 within a lipid membrane 50. FIG. (b) is a front sectional view near the well structure 20 of the lipid membrane device 1. FIG. (c) is a front sectional view near the well structure 20 of the lipid membrane device 1A into which the membrane protein 60 is introduced. (a)は、出芽ベシクル50aが巨大脂質ベシクル70に融合し、脂質膜70内に膜タンパク質60を含む巨大脂質ベシクル70aが合成される様子を示す模式図である。(b)は、基板10の井戸構造20付近の正断面図である。(c)は、脂質膜内に膜タンパク質60を有する巨大脂質ベシクル70aによって、基板10の井戸構造20の開口部21が封止された後の、脂質膜デバイス1Bの模式図である。(a) is a schematic diagram showing how a budding vesicle 50a fuses with a giant lipid vesicle 70 to synthesize a giant lipid vesicle 70a containing a membrane protein 60 in a lipid membrane 70. FIG. (b) is a front cross-sectional view of the vicinity of the well structure 20 of the substrate 10. FIG. (c) is a schematic diagram of lipid membrane device 1B after opening 21 of well structure 20 of substrate 10 is sealed by giant lipid vesicle 70a having membrane protein 60 in the lipid membrane. 脂質膜デバイス1Cの井戸構造20付近の正断面図である。It is a front cross-sectional view near the well structure 20 of the lipid membrane device 1C. 電極が配置された脂質膜デバイスの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a lipid membrane device in which electrodes are arranged; (a)は、脂質膜により井戸構造を封止したデバイスを、488nmレーザーによって励起し、上から撮影して得られた蛍光画像である。(b)は、561nmレーザーによって励起した蛍光画像である。(a) is a fluorescence image obtained by photographing a device in which a well structure is sealed with a lipid membrane, excited by a 488 nm laser, and photographed from above. (b) is a fluorescence image excited by a 561 nm laser. (a)は、膜タンパク質を含む脂質膜により井戸構造を封止したデバイスを、488nmレーザーによって励起し、上から撮影して得られた蛍光画像である。(b)は561nmレーザーによって励起した蛍光画像である。(a) is a fluorescence image obtained by photographing a device in which a well structure is sealed with a lipid membrane containing membrane proteins, excited by a 488 nm laser, and photographed from above. (b) is a fluorescence image excited by a 561 nm laser. 図5(b)及び図6(b)の破線における、RFPの蛍光強度を測定した結果である。It is the result of having measured the fluorescence intensity of RFP in the dashed line of FIG.5(b) and FIG.6(b).

[製造方法]
(第1実施形態)
1実施形態において、本発明は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、基板の一方面上に形成され、井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備える脂質膜デバイスの脂質二重膜に、脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を融合させ、その結果、脂質二重膜に膜タンパク質が導入される工程を含む、脂質二重膜に膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法を提供する。
[Production method]
(First embodiment)
In one embodiment, the present invention provides a lipid membrane device comprising a substrate having a well structure with an opening on one side, and a lipid bilayer membrane formed on one side of the substrate and sealing the opening of the well structure. introducing a membrane protein into a lipid bilayer membrane, comprising fusing a lipid bilayer membrane of the lipid membrane with a lipid vesicle containing a membrane protein within the lipid membrane, resulting in introduction of the membrane protein into the lipid bilayer membrane. A method for manufacturing a lipid membrane device is provided.

本発明の1実施形態にかかる脂質膜デバイス1Aの製造方法について、図面を参照して説明する。脂質膜デバイスは、基板の一方面(上面)に井戸構造を有している。
図1(a)は、脂質膜50内に膜タンパク質60を含む出芽ベシクル50aの断面図である。図1(b)は、脂質膜デバイス1の井戸構造20付近の正断面図である。図1(c)は、膜タンパク質60が導入された脂質膜デバイス1Aの井戸構造20付近の正断面図である。
なお、図1(b)、(c)において、上側を上、下側を下として説明する。
一方面とは、基板10の井戸構造20が開口している方向をいう。
A method for manufacturing a lipid membrane device 1A according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A lipid membrane device has a well structure on one surface (upper surface) of a substrate.
FIG. 1(a) is a cross-sectional view of a budding vesicle 50a containing a membrane protein 60 within a lipid membrane 50. FIG. FIG. 1(b) is a front sectional view of the vicinity of the well structure 20 of the lipid membrane device 1. FIG. FIG. 1(c) is a front sectional view near the well structure 20 of the lipid membrane device 1A into which the membrane protein 60 is introduced.
In addition, in FIG.1(b), (c), it demonstrates as an upper side and a lower side as a bottom.
One side refers to the direction in which the well structure 20 of the substrate 10 is open.

本実施形態において、膜タンパク質を含む脂質小胞は、次に述べるような、ウイルスが分泌を誘導する出芽ベシクル50aであってもよい。
図1(a)に例示されるように、出芽ベシクル50aは、脂質膜50内に膜タンパク質60を含んでいる。膜タンパク質60の膜貫通領域は、脂質膜50内に埋め込まれている。
ウイルスが分泌を誘導する出芽ベシクル50aにおいては、膜タンパク質60の配向性は揃っている。すなわち、出芽ベシクル50aが有する膜タンパク質60の、脂質膜50の外側部分は、膜タンパク質60の細胞外領域である。出芽ベシクル50aの膜タンパク質60の、脂質膜50の内側部分は、膜タンパク質60の細胞内領域である。
In this embodiment, the lipid vesicle containing the membrane protein may be a budding vesicle 50a whose secretion is induced by a virus, as described below.
As illustrated in FIG. 1( a ), a budding vesicle 50 a contains membrane proteins 60 within a lipid membrane 50 . The transmembrane region of membrane protein 60 is embedded within lipid membrane 50 .
In the budding vesicle 50a where the virus induces secretion, the orientation of the membrane proteins 60 is uniform. That is, the outer portion of the lipid membrane 50 of the membrane protein 60 possessed by the budding vesicle 50a is the extracellular region of the membrane protein 60 . The inner portion of the lipid membrane 50 of the membrane protein 60 of the budding vesicle 50 a is the intracellular region of the membrane protein 60 .

図1(b)に例示されるように、脂質膜デバイス1は、基板10と、基板10の上面の凹部である井戸構造20を有し、井戸構造20の開口部21は脂質二重膜30により封止されている。
基板10の上面と脂質二重膜30の間には、薄膜層11が積層されていてもよい。薄膜層11の末端(オーバーハング部11a)は、井戸構造20の開口部21に延在していてもよい。
As exemplified in FIG. 1(b), the lipid membrane device 1 has a substrate 10 and a well structure 20 which is a recess in the upper surface of the substrate 10, and the opening 21 of the well structure 20 is the lipid bilayer 30. is sealed by
A thin film layer 11 may be laminated between the upper surface of the substrate 10 and the lipid bilayer membrane 30 . The end (overhang portion 11 a ) of the thin film layer 11 may extend into the opening 21 of the well structure 20 .

脂質膜50内に膜タンパク質60を含む出芽ベシクル(脂質小胞)50aを、井戸構造20の開口部21の脂質二重膜30に融合させる工程を行うことにより、膜タンパク質60を、開口部21の脂質二重膜30に導入することができる。 By carrying out a step of fusing budding vesicles (lipid vesicles) 50 a containing membrane proteins 60 in the lipid membrane 50 to the lipid bilayer membrane 30 at the opening 21 of the well structure 20 , the membrane protein 60 is transferred to the opening 21 . can be introduced into the lipid bilayer membrane 30 of

図1(c)は、出芽ベシクル(脂質小胞)50の膜タンパク質60が、開口部21を封止する脂質二重膜30に融合した後の様子を示す模式図である。
出芽ベシクル50aを脂質二重膜30に融合させると、膜タンパク質60の細胞外領域は開口部21の脂質二重膜30の外側(井戸構造20の外部)に配置され、膜タンパク質60の細胞内領域は開口部21の脂質二重膜30の内側(井戸構造20の内部)に配置される。
本明細書において、井戸構造20の内部とは、脂質二重膜30の下側にあって、井戸構造20と脂質二重膜30により閉じられた内部の空間を意味する。また、井戸構造20の外部とは、脂質二重膜30の上側の空間を意味する。
すなわち、開口部21の脂質二重膜30の膜タンパク質60は、出芽ベシクル50aにおける配向性、細胞における膜タンパク質の配向性を維持している。
FIG. 1(c) is a schematic diagram showing a state after the membrane protein 60 of the budding vesicle (lipid vesicle) 50 fuses with the lipid bilayer membrane 30 sealing the opening 21. FIG.
When the budding vesicle 50a is fused to the lipid bilayer membrane 30, the extracellular domain of the membrane protein 60 is arranged outside the lipid bilayer membrane 30 in the opening 21 (outside the well structure 20), and the intracellular domain of the membrane protein 60 is The region is located inside the lipid bilayer membrane 30 of the opening 21 (inside the well structure 20).
In the present specification, the inside of the well structure 20 means an internal space below the lipid bilayer membrane 30 and closed by the well structure 20 and the lipid bilayer membrane 30 . Also, the outside of the well structure 20 means the space above the lipid bilayer membrane 30 .
That is, the membrane protein 60 of the lipid bilayer membrane 30 in the opening 21 maintains the orientation in the budding vesicle 50a and the orientation of the membrane protein in the cell.

本実施形態において、脂質膜50内に膜タンパク質60を含む出芽ベシクル50aを、開口部21の脂質二重膜30に融合させるために、出芽ベシクル50aの外形寸法は、開口部21の外形寸法よりも小さく設定することが好ましい。 In this embodiment, in order to fuse budding vesicles 50a containing membrane protein 60 within lipid membrane 50 to lipid bilayer membrane 30 of opening 21, the external dimensions of budding vesicles 50a are larger than the external dimensions of opening 21. is preferably set to be small.

本実施形態の製造方法により、次のような脂質膜デバイス(脂質膜デバイス1A)を製造することができる。
一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、脂質二重膜は膜タンパク質を含み、膜タンパク質の細胞外領域は封止された井戸構造の外部に配置されており、膜タンパク質の細胞内領域は封止された井戸構造の内部に配置されている、脂質膜デバイス。
According to the manufacturing method of this embodiment, the following lipid membrane device (lipid membrane device 1A) can be manufactured.
A substrate having a well structure open on one side and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure, the lipid bilayer membrane containing a membrane protein, the extracellular region of the membrane protein being sealed A lipid membrane device, wherein the intracellular region of the membrane protein is located inside the sealed well structure, and the membrane protein is located outside the well structure.

(第2実施形態)
1実施形態において、本発明は、一方面上に開口する井戸構造を有する基板の一方面に、脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を接触させ、その結果、脂質小胞が開裂して膜タンパク質を含む脂質二重膜となり、一方面上に形成されて井戸構造の開口部を封止し、脂質二重膜に膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスが形成される工程を含む、脂質二重膜に膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法を提供する。
(Second embodiment)
In one embodiment, the present invention brings lipid vesicles containing a membrane protein into a lipid membrane into contact with one side of a substrate having a well structure that is open on one side, and as a result, the lipid vesicles are cleaved. forming a lipid bilayer membrane containing a membrane protein, forming a lipid membrane device on one side to seal the opening of the well structure, and forming a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane. Provided is a method for producing a lipid membrane device in which a membrane protein is introduced into the double membrane.

本発明の1実施形態にかかる脂質膜デバイス1Bの製造方法について、図面を参照して説明する。図2(a)は、出芽ベシクル50aが巨大脂質ベシクル70に融合し、脂質膜70内に膜タンパク質60を含む巨大脂質ベシクル70aが合成される様子を示す模式図である。図2(b)は、基板10の井戸構造20付近の正断面図である。図2(c)は、脂質膜内に膜タンパク質60を有する巨大脂質ベシクル70aによって、基板10の井戸構造20の開口部21が封止された後の、脂質膜デバイス1Bの模式図である。
なお、図2(b)、(c)において、上側を上、下側を下として説明する。
一方面とは、基板10の井戸構造20が開口している方向をいう。
A method for manufacturing a lipid membrane device 1B according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2(a) is a schematic diagram showing how a budding vesicle 50a fuses with a giant lipid vesicle 70 to synthesize a giant lipid vesicle 70a containing a membrane protein 60 in a lipid membrane 70. FIG. FIG. 2(b) is a front cross-sectional view of the vicinity of the well structure 20 of the substrate 10. FIG. FIG. 2(c) is a schematic diagram of the lipid membrane device 1B after the opening 21 of the well structure 20 of the substrate 10 is sealed by a giant lipid vesicle 70a having membrane proteins 60 within the lipid membrane.
In addition, in FIG.2(b), (c), it demonstrates as an upper side and a lower side as a bottom.
One side refers to the direction in which the well structure 20 of the substrate 10 is open.

本実施形態において、膜タンパク質を含む脂質小胞は、次に述べるような、巨大脂質ベシクル(脂質小胞)70aであってもよい。
巨大脂質ベシクル70aは、例えば、上述した膜タンパク質60を含む出芽ベシクル50aを、後述する巨大脂質ベシクル70に融合させて得られたものであってもよい。出芽ベシクル50aにおいて膜タンパク質60の配向は揃っているため、出芽ベシクル50aを巨大脂質ベシクル70に融合させて得られた巨大脂質ベシクル70aにおいても、膜タンパク質60の配向性は維持される。得られた巨大脂質ベシクル70aの膜タンパク質60の、脂質膜70の外側部分は、膜タンパク質60の細胞外領域である。得られた巨大脂質ベシクル70aの膜タンパク質60の、脂質膜70の内側部分は、膜タンパク質60の細胞内領域である。
In this embodiment, lipid vesicles containing membrane proteins may be giant lipid vesicles (lipid vesicles) 70a, as described below.
The giant lipid vesicle 70a may be obtained, for example, by fusing the budding vesicle 50a containing the membrane protein 60 described above with the giant lipid vesicle 70 described below. Since the orientation of the membrane proteins 60 is uniform in the budding vesicles 50a, the orientation of the membrane proteins 60 is maintained in the giant lipid vesicles 70a obtained by fusing the budding vesicles 50a with the giant lipid vesicles 70 as well. The outer portion of the lipid membrane 70 of the membrane protein 60 of the resulting giant lipid vesicle 70a is the extracellular region of the membrane protein 60 . The inner portion of the lipid membrane 70 of the membrane protein 60 of the resulting giant lipid vesicle 70 a is the intracellular region of the membrane protein 60 .

上述の膜タンパク質60が導入された巨大脂質ベシクル70aを、基板10の上面に接触させ、巨大脂質ベシクル70aを開裂させる。
その結果、図2()に例示されるように、膜タンパク質60を含む脂質二重膜30は、井戸構造20の開口部21を封止する。このようにして、脂質二重膜30に膜タンパク質60が導入された脂質膜デバイス1Bが形成される。
The giant lipid vesicle 70a introduced with the membrane protein 60 described above is brought into contact with the upper surface of the substrate 10 to cleave the giant lipid vesicle 70a.
As a result, the lipid bilayer 30 containing the membrane protein 60 seals the opening 21 of the well structure 20, as illustrated in FIG. 2( c ). In this way, a lipid membrane device 1B in which the membrane protein 60 is introduced into the lipid bilayer membrane 30 is formed.

上述の脂質膜デバイス1Bにおいて、膜タンパク質60の細胞外領域は開口部21の脂質二重膜30の内側(井戸構造20の内部)に配置され、膜タンパク質60の細胞内領域は開口部21の脂質二重膜30の外側(井戸構造20の外部)に配置される。 In the lipid membrane device 1B described above, the extracellular region of the membrane protein 60 is arranged inside the lipid bilayer membrane 30 of the opening 21 (inside the well structure 20), and the intracellular region of the membrane protein 60 is arranged inside the opening 21. It is arranged outside the lipid bilayer membrane 30 (outside the well structure 20).

本実施形態において、脂質膜70内に膜タンパク質60を含む巨大脂質ベシクル70aを開裂させて、開口部21の脂質二重膜30を封止するために、脂質小胞70aの外形寸法は、開口部21の外形寸法よりも大きく設定することが必要である。巨大脂質ベシクル70aの外形寸法が、開口部21の外形寸法よりも小さい場合、巨大脂質ベシクル70aは井戸構造20の内部に落ち込み、開口部21を覆うことができない。 In this embodiment, the outer dimensions of the lipid vesicle 70a are such that the lipid vesicle 70a is opened to cleave and seal the lipid bilayer 30 at the opening 21, which contains the membrane protein 60 within the lipid membrane 70. It is necessary to set it larger than the outer dimensions of the portion 21 . If the outer dimensions of the giant lipid vesicle 70 a are smaller than the outer dimensions of the opening 21 , the giant lipid vesicle 70 a falls inside the well structure 20 and cannot cover the opening 21 .

本実施形態の製造方法により、次のような脂質膜デバイス(脂質膜デバイス1B)を製造することができる。
一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、脂質二重膜は膜タンパク質を含み、膜タンパク質の細胞外領域は封止された井戸構造の内部に配置されており、膜タンパク質の細胞内領域は封止された井戸構造外部に配置されている、脂質膜デバイス。
By the manufacturing method of this embodiment, the following lipid membrane device (lipid membrane device 1B) can be manufactured.
A substrate having a well structure open on one side and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure, the lipid bilayer membrane containing a membrane protein, the extracellular region of the membrane protein being sealed A lipid membrane device, wherein the intracellular region of the membrane protein is located outside the sealed well structure.

(第3実施形態)
1実施形態において、本発明は、一方面上に開口する複数の井戸構造を有する基板の一方面に、第1の脂質小胞を接触させ、その結果、第1の脂質小胞が開裂して第1の脂質二重膜となり、一方面上に形成されて一部の井戸構造の開口部を封止する工程と、開口部の第1の脂質二重膜に、脂質膜内に第1の膜タンパク質を含む第2の脂質小胞を融合させ、その結果、開口部の第1の脂質二重膜に第1の膜タンパク質が導入される工程と、基板の一方面に、脂質膜内に第2の膜タンパク質を含む第3の脂質小胞を接触させ、その結果、第3の脂質小胞が開裂して第2の膜タンパク質を含む第2の脂質二重膜となり、一方面上に形成されて井戸構造の開口部を封止し、第2の脂質二重膜に第2の膜タンパク質が導入される工程と、を含む、脂質二重膜に第1の膜タンパク質及び第2の膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法を提供する。
(Third Embodiment)
In one embodiment, the present invention brings a first lipid vesicle into contact with one side of a substrate having a plurality of well structures open on one side, as a result of which the first lipid vesicle is cleaved. A step of forming a first lipid bilayer membrane and sealing an opening of a part of the well structure formed on one surface; fusing a second lipid vesicle containing a membrane protein such that the first membrane protein is introduced into the first lipid bilayer membrane at the opening; contacting a third lipid vesicle containing a second membrane protein, such that the third lipid vesicle is cleaved into a second lipid bilayer containing the second membrane protein, and forming to seal the opening of the well structure and introducing the second membrane protein into the second lipid bilayer membrane. Provided is a method for producing a lipid membrane device into which a membrane protein is introduced.

本発明の1実施形態にかかる脂質膜デバイス1Cの製造方法について、図面を参照して説明する。図3は、出芽ベシクル50aと巨大脂質ベシクル70とから形成された、脂質膜デバイス1Cの井戸構造20付近の正断面図である。脂質膜デバイス1Cは、開口部21を封止する脂質二重膜30に第1の膜タンパク質60及び第2の膜タンパク質61が導入されている。
本実施形態において、同一の基板10において、各井戸構造20毎に異なる向きに膜タンパク質60及び膜タンパク質61を配置することができる。各井戸構造20においては、膜タンパク質60及び膜タンパク質61の向きは揃っている。
膜タンパク質60と膜タンパク質61は同一のタンパク質であってもよいし、異なるタンパク質であってもよい。
A method for manufacturing a lipid membrane device 1C according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a front cross-sectional view near the well structure 20 of the lipid membrane device 1C formed from the budding vesicle 50a and the giant lipid vesicle 70. FIG. In the lipid membrane device 1C, a first membrane protein 60 and a second membrane protein 61 are introduced into the lipid bilayer membrane 30 that seals the opening 21 .
In this embodiment, the membrane proteins 60 and 61 can be arranged in different directions for each well structure 20 on the same substrate 10 . In each well structure 20, the membrane proteins 60 and 61 are aligned.
Membrane protein 60 and membrane protein 61 may be the same protein or may be different proteins.

本実施形態では、同一の基板10を用いて、第1実施形態において上述した製造方法により、井戸構造20の開口部21の脂質二重膜に膜タンパク質60を導入し、第2実施形態において上述した製造方法により、井戸構造20の開口部21に膜タンパク質61を導入する。これについて詳細に説明する。 In this embodiment, the same substrate 10 is used, and the membrane protein 60 is introduced into the lipid bilayer membrane of the opening 21 of the well structure 20 by the manufacturing method described above in the first embodiment. A membrane protein 61 is introduced into the opening 21 of the well structure 20 by the manufacturing method described above. This will be explained in detail.

まず、複数の井戸構造20を有する基板の前記一方面に、膜タンパク質60を有しない第1の脂質小胞70を接触させる。第1の脂質小胞70は、後述する巨大脂質ベシクルであってもよい。
その結果、第1の脂質小胞70は開裂して第1の脂質二重膜30となり、基板10上の複数の井戸構造20のうち、一部の井戸構造20の開口部21を封止する。すなわち、この段階では、基板10上に、開口部21が脂質二重膜30によって封止されている井戸構造20と、開口部21が脂質二重膜によって封止されていない井戸構造20とが、基板10上に存在する。
First, the one surface of the substrate having a plurality of well structures 20 is brought into contact with the first lipid vesicles 70 having no membrane protein 60 . The first lipid vesicle 70 may be a giant lipid vesicle as described below.
As a result, the first lipid vesicles 70 are cleaved to form the first lipid bilayer membrane 30, sealing the openings 21 of some of the well structures 20 on the substrate 10. . That is, at this stage, on the substrate 10, the well structure 20 in which the opening 21 is sealed by the lipid bilayer 30 and the well structure 20 in which the opening 21 is not sealed by the lipid bilayer are formed. , are present on the substrate 10 .

続いて、開口部21を封止している第1の脂質二重膜に、脂質膜内に第1の膜タンパク質60を含む第2の脂質小胞を融合させる。第2の脂質小胞は、上述した出芽ベシクル50aであってもよい。
その結果、開口部21を封止している第1の脂質二重膜に、第1の膜タンパク質60が導入される。第1の膜タンパク質60の配向性は、第1実施形態における、開口部21の膜タンパク質60の配向性と同一である。
この段階において、基板10上に、開口部21が脂質二重膜によって封止されていない井戸構造20が基板10上に存在する。
Subsequently, the first lipid bilayer membrane sealing the opening 21 is fused with a second lipid vesicle containing the first membrane protein 60 within the lipid membrane. The second lipid vesicle may be a budding vesicle 50a as described above.
As a result, the first membrane protein 60 is introduced into the first lipid bilayer membrane sealing the opening 21 . The orientation of the first membrane protein 60 is the same as the orientation of the membrane protein 60 in the opening 21 in the first embodiment.
At this stage, there is a well structure 20 on the substrate 10 in which the openings 21 are not sealed by the lipid bilayer membrane.

続いて、基板10の一方面に、脂質膜内に第2の膜タンパク質61を含む第3の脂質小胞を接触させる。第3の脂質小胞は、上述した巨大脂質ベシクル70aであってもよい。
その結果、第3の脂質小胞が開裂して第2の膜タンパク質61を含む第2の脂質二重膜となる。脂質二重膜により封止されていなかった開口部は、第2の脂質二重膜により封止され、第2の脂質二重膜に第2の膜タンパク質61が導入される。
導入された膜タンパク質61の細胞外領域は井戸構造20の内部に配置され、膜タンパク質61の細胞内領域は井戸構造20の外部に配置される。
Subsequently, one side of the substrate 10 is brought into contact with a third lipid vesicle containing a second membrane protein 61 in the lipid membrane. The third lipid vesicle may be the giant lipid vesicle 70a described above.
As a result, the third lipid vesicle is cleaved into a second lipid bilayer membrane containing the second membrane protein 61 . The opening not sealed by the lipid bilayer membrane is sealed by the second lipid bilayer membrane, and the second membrane protein 61 is introduced into the second lipid bilayer membrane.
The extracellular region of the introduced membrane protein 61 is arranged inside the well structure 20 and the intracellular region of the membrane protein 61 is arranged outside the well structure 20 .

なお、次に示すような方法によって、同一の基板10において、異なる向きに膜タンパク質60を配置し、各井戸構造20の脂質二重膜30に導入された膜タンパク質の向きを同定することができる。
以下、基板10には複数の井戸構造20が形成されている場合について、説明する。
まず、基板10の上面に蛍光物質23を接触させて、基板10の井戸構造20の内部に蛍光物質23を流入させる。続いて、脂質膜を井戸構造20の開口部21付近で開裂させる。すると、一部の開口部21は脂質二重膜により封止されるため、蛍光物質23は井戸構造20の内部に閉じ込められる。
続いて、脂質膜内に膜タンパク質60を含む出芽ベシクル50aを、開口部21の脂質二重膜30に融合させる。すると、井戸構造20に蛍光物質23が内包され、かつ、その井戸構造20の開口部21の脂質二重膜30に膜タンパク質60が導入される。
この時、導入された膜タンパク質60の細胞外領域は井戸構造20の外側に配置され、膜タンパク質60の細胞内領域は井戸構造20の内側に配置される。
By the following method, the membrane proteins 60 can be arranged in different orientations on the same substrate 10, and the orientation of the membrane proteins introduced into the lipid bilayer membrane 30 of each well structure 20 can be identified. .
A case where a plurality of well structures 20 are formed in the substrate 10 will be described below.
First, the fluorescent material 23 is brought into contact with the upper surface of the substrate 10 to flow into the well structure 20 of the substrate 10 . Subsequently, the lipid membrane is cleaved near the opening 21 of the well structure 20 . Then, part of the opening 21 is sealed by the lipid bilayer membrane, so the fluorescent substance 23 is confined inside the well structure 20 .
Subsequently, the budding vesicle 50a containing the membrane protein 60 within the lipid membrane is fused to the lipid bilayer membrane 30 of the opening 21. FIG. Then, the fluorescent substance 23 is included in the well structure 20 and the membrane protein 60 is introduced into the lipid bilayer membrane 30 in the opening 21 of the well structure 20 .
At this time, the extracellular domain of the introduced membrane protein 60 is placed outside the well structure 20 and the intracellular domain of the membrane protein 60 is placed inside the well structure 20 .

続いて、基板10の上面から蛍光物質23を除去し、基板10の上面に蛍光物質24を接触させて、開口部21が脂質二重膜で封止されていない井戸構造20の内部に蛍光物質24を流入させる。続いて、脂質膜内に膜タンパク質61を含む巨大脂質ベシクル70aを、基板10の上面に接触させる。すると、開口部21は、膜タンパク質61を含む脂質二重膜30により封止され、蛍光物質24は井戸構造20の内部に閉じ込められる。
この時、導入された膜タンパク質61の細胞外領域は井戸構造20の内側に配置され、膜タンパク質61の細胞内領域は井戸構造20の外側に配置される。
Subsequently, the fluorescent substance 23 is removed from the upper surface of the substrate 10, the fluorescent substance 24 is brought into contact with the upper surface of the substrate 10, and the fluorescent substance is applied to the inside of the well structure 20 where the opening 21 is not sealed with the lipid bilayer membrane. 24 inflow. Subsequently, giant lipid vesicles 70 a containing membrane proteins 61 within the lipid membrane are brought into contact with the upper surface of substrate 10 . The opening 21 is then sealed by the lipid bilayer 30 containing the membrane protein 61 and the fluorescent substance 24 is confined inside the well structure 20 .
At this time, the extracellular domain of the introduced membrane protein 61 is placed inside the well structure 20 and the intracellular domain of the membrane protein 61 is placed outside the well structure 20 .

上述のように、異なる蛍光を発する蛍光物質23、24を用いることにより、開口部21の脂質二重膜の膜タンパク質60の配向性を区別できる。 As described above, the orientation of the membrane protein 60 of the lipid bilayer membrane at the opening 21 can be distinguished by using the fluorescent substances 23 and 24 that emit different fluorescence.

本実施形態の製造方法により、次のような脂質膜デバイス(脂質膜デバイス1C)を製造することができる。
一方面上に開口した第1の井戸構造及び第2の井戸構造を有する基板と、第1の開口部を封止する第1の脂質二重膜と、第2の開口部を封止する第2の脂質二重膜とを備え、第1の脂質二重膜は第1の膜タンパク質を含み、第2の脂質二重膜は第2の膜タンパク質を含み、第1の膜タンパク質の細胞外領域は封止された井戸構造の外部に配置されており、第1の膜タンパク質の細胞内領域は封止された井戸構造の内部に配置されており、第2の膜タンパク質の細胞外領域は封止された井戸構造の内部に配置されており、第2の膜タンパク質の細胞内領域は封止された井戸構造の外部に配置されている、脂質膜デバイス。
According to the manufacturing method of this embodiment, the following lipid membrane device (lipid membrane device 1C) can be manufactured.
A substrate having a first well structure and a second well structure that are open on one surface, a first lipid bilayer membrane that seals the first opening, and a second lipid bilayer that seals the second opening. two lipid bilayer membranes, the first lipid bilayer membrane comprising a first membrane protein, the second lipid bilayer membrane comprising a second membrane protein, the extracellular portion of the first membrane protein The region is located outside the sealed well structure, the intracellular region of the first membrane protein is located inside the sealed well structure, and the extracellular region of the second membrane protein is A lipid membrane device disposed within the sealed well structure and wherein the intracellular region of the second membrane protein is disposed outside the sealed well structure.

(第4実施形態)
図4は、電極が配置された脂質膜デバイスの模式図である。図4に例示されるように、脂質二重膜30を形成した基板10に電極40を配置することにより、井戸構造20の内外の電流を測定することができる。
脂質二重膜30は高抵抗であるため、井戸構造20の開口部21が脂質二重膜30によって封止されると、電流値は変化する。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram of a lipid membrane device in which electrodes are arranged. As illustrated in FIG. 4, by arranging electrodes 40 on the substrate 10 on which the lipid bilayer membrane 30 is formed, currents inside and outside the well structure 20 can be measured.
Since the lipid bilayer membrane 30 has a high resistance, the current value changes when the opening 21 of the well structure 20 is sealed by the lipid bilayer membrane 30 .

第3実施形態において上述したように、開口部21の脂質二重膜30における膜タンパク質60、61の向きを制御することができる。
ここで、巨大脂質ベシクル70で開口部21を封止した後に、膜タンパク質60を有する出芽ベシクル50aを融合させた場合、巨大脂質ベシクル70で開口部21を封止した際に電流値が変化する。
また、膜タンパク質61を有する巨大脂質70aベシクルにより開口部21封止した場合、その際に電流値が変化する。
さらに、脂質二重膜30で封止した際の井戸構造20内外の電流値の変化を、井戸構造20の位置情報を関連付けることで、各井戸構造20における膜タンパク質の向きを識別することができる。
As described above in the third embodiment, the orientation of membrane proteins 60, 61 in lipid bilayer membrane 30 at opening 21 can be controlled.
Here, when the budding vesicle 50a having the membrane protein 60 is fused after sealing the opening 21 with the giant lipid vesicle 70, the current value changes when the opening 21 is sealed with the giant lipid vesicle 70. .
In addition, when the opening 21 is sealed with the giant lipid 70a vesicle having the membrane protein 61, the current value changes at that time.
Furthermore, by associating the change in the current value inside and outside the well structure 20 when sealed with the lipid bilayer 30 with the positional information of the well structure 20, the orientation of the membrane protein in each well structure 20 can be identified. .

また、図4に示すような電極40、または井戸構造20の内部に流路50を配置することにより、膜タンパク質60を有する脂質二重膜30のマニュピレーションを行うことができる。 Further, by disposing the channel 50 inside the electrode 40 as shown in FIG. 4 or the well structure 20, the lipid bilayer membrane 30 having the membrane protein 60 can be manipulated.

電極40は、基板10の表面-井戸構造20の外部、井戸構造20内部-井戸構造20の外部に、電位差を生じさせることができる。流路50は井戸内部へ溶液の流れを生じさせることができる。 The electrode 40 can generate a potential difference between the surface of the substrate 10 and the outside of the well structure 20 and between the inside of the well structure 20 and the outside of the well structure 20 . Channels 50 are capable of producing flow of solution into the well.

脂質二重膜基板は、図4に示すように、基板10に井戸構造20が形成されている。脂質二重膜による井戸のシール効率を上げ、また脂質膜の架橋構造を安定に保つために井戸構造部20の開口部(開口)21には、オーバーハング部(ひさし部)11aが設けられていることが望ましい。井戸構造20内部には、膜タンパク質の機能計測のための蛍光物質23あるいは電極40が配置されている。蛍光物質23や電極40は、そのどちらかを配置、あるいは両方を配置することも可能である。 As shown in FIG. 4, the lipid bilayer substrate has a substrate 10 with a well structure 20 formed therein. An overhang (eaves) 11a is provided in the opening (aperture) 21 of the well structure 20 in order to increase the sealing efficiency of the well by the lipid bilayer membrane and to keep the crosslinked structure of the lipid membrane stable. It is desirable to be Inside the well structure 20, a fluorescent material 23 or an electrode 40 is arranged for functional measurement of membrane proteins. Either the fluorescent material 23 or the electrode 40 can be arranged, or both can be arranged.

基板10の材質は、蛍光顕微鏡による井戸構造20の蛍光観察を妨げず、生理的実験に通常用いる緩衝溶液のpH範囲内(3~10)で基板表面が負に荷電するものが好ましい。
基板10の材質としては、例えば、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、石英、マイカ、ガラス等を挙げることができる。
The substrate 10 is preferably made of a material that does not interfere with fluorescence observation of the well structure 20 with a fluorescence microscope and that the surface of the substrate is negatively charged within the pH range (3 to 10) of buffer solutions normally used in physiological experiments.
Examples of materials for the substrate 10 include silicon, silicon oxide, silicon nitride, quartz, mica, and glass.

基板10が有する井戸構造20の個数は特に限定されない。井戸構造20の代わりに、底面を有しない貫通孔であってもよい。
井戸構造20の開口部21の形状は,脂質二重膜を安定に形成する観点から,円形状または四角形状であることが望ましい.円形状の開口部21の直径あるいは四角形状の開口部21の一辺は,100nm~10μmの範囲であることが好ましい。
膜タンパク質60のサイズは、一般的には、10~20nm程度である。100nmを下限値とするのは、膜タンパク質60を、開口部21の脂質二重膜30に保持させるためである。上限値を10μmとするのは,脂質小胞の脂質二重膜が封止することのできる井戸のサイズの上限が10μm程度であることによる。
The number of well structures 20 that the substrate 10 has is not particularly limited. Instead of the well structure 20, a through hole without a bottom surface may be used.
The shape of the opening 21 of the well structure 20 is desirably circular or square from the viewpoint of stably forming the lipid bilayer membrane. The diameter of circular opening 21 or one side of square opening 21 is preferably in the range of 100 nm to 10 μm.
The size of the membrane protein 60 is generally on the order of 10-20 nm. The reason why the lower limit is 100 nm is to retain the membrane protein 60 in the lipid bilayer membrane 30 of the opening 21 . The reason why the upper limit is 10 μm is that the upper limit of the well size that can be sealed by the lipid bilayer membrane of the lipid vesicle is about 10 μm.

基板10への井戸構造20の形成方法は、例えば、フォトリソグラフィ法,電子ビームリソグラフィ法,ドライエッチング法等の微細加工技術を適用することができる。
基板10の表面には,井戸構造20の開口部21にオーバーハング部11aを形成するための薄膜層11が設けられていてもよい。オーバーハング部11aは,基板10の上面を延長するように、井戸構造20の開口部21の開口を狭める方向に延ばして形成されている。
薄膜層11の材質は、脂質二重膜30が付着すれば、基板10の材質と同じでもよいし、違う材質でもよい。オーバーハング部11aの作製過程において、選択的エッチング法を適用できることから、異なる材質を用いることが望ましい。薄膜層11の厚さは、50nm~500nmであることが望ましい。
As a method for forming the well structure 20 on the substrate 10, microfabrication techniques such as photolithography, electron beam lithography, and dry etching can be applied.
A thin film layer 11 may be provided on the surface of the substrate 10 to form an overhang 11a in the opening 21 of the well structure 20 . The overhang portion 11a is formed so as to extend the upper surface of the substrate 10 in the direction of narrowing the opening of the opening portion 21 of the well structure 20 .
The material of the thin film layer 11 may be the same as or different from the material of the substrate 10 as long as the lipid bilayer membrane 30 adheres thereto. Since a selective etching method can be applied in the manufacturing process of the overhang portion 11a, it is desirable to use different materials. The thickness of the thin film layer 11 is desirably 50 nm to 500 nm.

膜タンパク質を細胞等に発現させ、得られた膜タンパク質を、界面活性剤を用いて可溶化した後に、界面活性剤を除去して再構成する場合、膜タンパク質の配向性の制御は困難である。
しかしながら、上述したように、膜タンパク質を含むウイルス由来の出芽ベシクルにおいては、膜タンパク質の配向性を揃えることができる。この場合、膜タンパク質を有する脂質膜には界面活性剤が混入しないため、膜タンパク質の活性は安定的に維持される。また、膜タンパク質の配向性が揃っているため、膜タンパク質の機能を高効率で利用することができる。
When a membrane protein is expressed in a cell or the like, the obtained membrane protein is solubilized using a detergent, and then reconstituted by removing the detergent, it is difficult to control the orientation of the membrane protein. .
However, as described above, in virus-derived budding vesicles containing membrane proteins, the orientation of the membrane proteins can be aligned. In this case, the activity of the membrane protein is stably maintained because the surfactant does not contaminate the lipid membrane containing the membrane protein. In addition, since the orientation of membrane proteins is uniform, the functions of membrane proteins can be utilized with high efficiency.

また、この出芽ベシクルを巨大脂質ベシクルに融合させた場合、融合した小胞においても膜タンパク質の配向性を揃えることができる(例えば、Kamiya K et al., Confocal microscopic observation of fusion between baculovirus budded virus envelopes and single giant unilamellar vesicles., Biochim Biophys Acta. 2010 Sep;1798(9):1625-31.)。
出芽ベシクル及び融合した小胞において、膜タンパク質の細胞外領域は、それぞれの膜の外側に配置される。すなわち、出芽ベシクル及び融合した小胞において、膜タンパク質の配向性は、天然の細胞における配向性と同一である。
In addition, when this budding vesicle is fused to a giant lipid vesicle, the orientation of membrane proteins can be aligned even in the fused vesicle (for example, Kamiya K et al., Confocal microscopic observation of fusion between baculovirus budded virus envelopes and single giant unilamellar vesicles., Biochim Biophys Acta. 2010 Sep;1798(9):1625-31.).
In budding vesicles and fused vesicles, the extracellular domains of membrane proteins are located outside their respective membranes. Thus, in budding vesicles and fused vesicles, the orientation of membrane proteins is identical to that in native cells.

出芽ベシクルを誘導して分泌するウイルス(膜タンパク質60を発現させるウイルス)としては、例えば、レトロウイルス、パラミクソウイルスであってもよい。バキュロウイルスは、環状二本鎖DNA を遺伝子としてもつ昆虫の病原ウイルスである。具体的には Nucleopolyhedronvirus(NPVs)とGranolovirus(GVs)の2種類に加えてnon-occluded virusesが知られている。このうち、NPV (核多角体病ウイルス) は、感染した細胞の核内に核多角体と呼ばれる封入体を全細胞タンパク質の40~50% に達するほど大量につくるので、バイオテクノロジーに多用されている。 Viruses that induce budding vesicles and secrete them (viruses that express the membrane protein 60) may be, for example, retroviruses and paramyxoviruses. Baculovirus is an insect pathogenic virus that has a circular double-stranded DNA gene. Specifically, in addition to two types of nucleopolyhedronviruses (NPVs) and granoloviruses (GVs), non-occluded viruses are known. Of these, NPV (nuclear polyhedrosis virus) is widely used in biotechnology because it produces a large amount of inclusion bodies called nuclear polyhedrosis in the nucleus of infected cells, reaching 40 to 50% of the total cellular protein. there is

バキュロウイルスは真核生物を用いたタンパクの発現系として、大量にしかも生物学的粋一性を保持した状態で発現できるため注目されている。簡便なキットが市販され、ルーチンに用いられる技術になりつつあり、バキュロウイルスを用いることで、簡便で安価に上記出芽ベシクルを得ることができるとともに、後述する膜融合タンパクがよく知られているタンパク質であるため、融合の条件等が既知であり当該の目的のために使用しやすい。 Baculovirus is attracting attention as a protein expression system using eukaryotes because it can be expressed in large amounts while maintaining biological integrity. A convenient kit is commercially available, and it is becoming a routine technique. By using baculovirus, the budding vesicle can be obtained easily and inexpensively, and the membrane fusion protein described below is a well-known protein. Therefore, the fusion conditions and the like are known, and it is easy to use for the purpose.

膜タンパク質60としては、脂質膜を貫通する部位を有する膜受容体であってもよい。膜受容体としては、例えば、1回膜貫通型受容体、4回膜貫通型受容体、7回膜貫通型受容体であってもよい。膜受容体は、種々のリガンドを受容する。リガンドは多種多様で、例えば、アミノ酸、低分子の有機化合物、ステロイド、アミノ酸やその誘導体、ペプチド、タンパク質等がある。 Membrane protein 60 may be a membrane receptor having a site that penetrates the lipid membrane. The membrane receptor may be, for example, a 1-transmembrane receptor, a 4-transmembrane receptor, or a 7-transmembrane receptor. Membrane receptors accept a variety of ligands. Ligands are diverse and include, for example, amino acids, low-molecular-weight organic compounds, steroids, amino acids and their derivatives, peptides, and proteins.

1回膜貫通型受容体としては、例えば、I型サイトカイン受容体、細胞質側で酵素活性を持つ酵素共役型受容体が挙げられる。このタイプの受容体では、リガンドの結合によって受容体のリン酸化の程度が変化し、キナーゼ活性やホスファターゼ活性等の酵素活性の作用が発現する。チロシンキナーゼ、セリン・スレオニンキナーゼ活性を持つ受容体がある。 Single transmembrane receptors include, for example, type I cytokine receptors and enzyme-coupled receptors having enzymatic activity on the cytoplasmic side. With this type of receptor, the degree of phosphorylation of the receptor changes upon binding of the ligand, resulting in the expression of enzymatic activity such as kinase activity and phosphatase activity. There are receptors with tyrosine kinase and serine-threonine kinase activity.

4回膜貫通型受容体としては、例えば、サブユニット構造を形成し、イオンチャネルとしての機能をもつものが挙げられる。イオンチャネル型受容体は、リガンドが結合すると、イオンチャネルが開き、イオンの流入や流出が起こって、特有の効果が発現する。 Examples of four-transmembrane receptors include those that form subunit structures and function as ion channels. When a ligand binds to an ionotropic receptor, the ion channel opens, causing the influx and outflow of ions, resulting in the expression of specific effects.

7回膜貫通型受容体としては、例えば、各種Gタンパク質と共役して作用を発現するものが挙げられる。Gタンパク質共役型レセプター(GPCR)は、ド一パミンやセロトニン等の生体アミン、プロスタグランジン等の脂質誘導体、アデノシン等の核酸、GABA等のアミノ酸、生理活性ペプチド類 (例えば、アンジオテンシン、ブラジキニン、コレシストキニン等)をリガンドとするレセプターファミリーを形成している。さらに、GPCRは光、味覚、臭覚に関連する生体外情報伝達物質のレセプターともなっている。GPCRは、情報伝達の中核を担う重要な膜タンパク質である。ヒトゲノム配列を解析することにより、GPCRに属するオーファンレセプターが多く見出されるものと期待されている。このよぅなGPCRに対応するリガンドの発見によって、有効な医薬品開発が可能になると考えられている。
7回膜貫通型受容体の具体例としては、ムスカリン型アセチルコリン受容体、A1アドレナリン受容体、ド一パミン受容体、セロトニン受容体、ヒスタミン受容体、グループI代謝調節型グルタミン酸受容体(mGluR1/5) GABAB受容体、ATP受容体、ロイコトリエン受容体、血小板活性化因子(PAF)受容体、オピオイド受容体、オレキシン受容体、エンドセリン受容体、ニューロペプチドPACAP受容体、CRH受容体、ケモカイン受容体、非神経性ムスカリン受容体、アドレナリン受容体、プロスタノイド受容体、プロスタグランジンE受容体、プロスタグランジンE2受容体、ノシセプチン受容体、カルシトニン受容体、ブラジキニン受容体、グルカゴンファミリーペプチドホルモン受容体、その他のオーファン7回膜貫通型受容体がある。
上記の膜受容体のうち、特に7回膜貫通型受容体は、多種なリガンドに結合し、疾患や医薬品への関与が深い。
Seven-transmembrane receptors include, for example, those that exhibit actions by coupling with various G proteins. G protein-coupled receptors (GPCRs) include biogenic amines such as dopamine and serotonin, lipid derivatives such as prostaglandins, nucleic acids such as adenosine, amino acids such as GABA, and bioactive peptides (e.g., angiotensin, bradykinin, cholesterol, etc.). Cystokinin, etc.) form a receptor family. In addition, GPCRs are receptors for ex vivo signaling substances related to light, taste, and smell. GPCRs are important membrane proteins that play a central role in signal transduction. By analyzing the human genome sequence, it is expected that many orphan receptors belonging to GPCRs will be found. It is believed that the discovery of ligands corresponding to such GPCRs will enable effective drug development.
Specific examples of seven transmembrane receptors include muscarinic acetylcholine receptors, A1 adrenergic receptors, dopamine receptors, serotonin receptors, histamine receptors, group I metabotropic glutamate receptors (mGluR1/5 ) GABAB receptors, ATP receptors, leukotriene receptors, platelet activating factor (PAF) receptors, opioid receptors, orexin receptors, endothelin receptors, neuropeptide PACAP receptors, CRH receptors, chemokine receptors, non Neuromuscarinic receptors, adrenergic receptors, prostanoid receptors, prostaglandin E receptors, prostaglandin E2 receptors, nociceptin receptors, calcitonin receptors, bradykinin receptors, glucagon family peptide hormone receptors, other There are orphan seven transmembrane receptors.
Among the above-mentioned membrane receptors, seven-transmembrane receptors in particular bind to various ligands and are deeply involved in diseases and pharmaceuticals.

井戸構造20内に電極40を配置する場合は、前述の井戸構造20の形成前に、電極40を埋め込む方法がある。電極40の材質としては、銀/塩化銀や、金、白金等が挙げられる。電極40を埋め込む基板10は、絶縁性に優れている事が必要である。その材質としては、シリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナ、酸化タンタル、レジスト膜等が挙げられる。 When arranging the electrode 40 in the well structure 20, there is a method of embedding the electrode 40 before forming the well structure 20 described above. Materials for the electrode 40 include silver/silver chloride, gold, and platinum. The substrate 10 in which the electrodes 40 are embedded must have excellent insulating properties. Examples of the material include silicon oxide, silicon nitride, alumina, tantalum oxide, resist film, and the like.

脂質二重膜30の脂質分子の種類としては、例えばホスファチジルコリン(PC)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)等の中性脂質分子とホスファチジルセリン(PS)、ホスフォグリセロール(PG)、等の負電荷性脂質分子との混合物を用いる。また、コレステロール等を混合してもよい。
脂質二重膜30の形成方法としては、例えば、その直径が10μm以上の中性脂質/負電荷脂質/コレステロールの三成分系から構成される巨大脂質ベシクルを、基板上で展開することにより脂質二重膜30を得てもよい。この形成方法を採用すると、基板10に複数の井戸構造20を設けた場合に、それら複数の井戸構造20を、一度に隙間なく、また安定に脂質二重膜30で覆うことが可能となる。
Types of lipid molecules in the lipid bilayer membrane 30 include neutral lipid molecules such as phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethanolamine (PE), and negatively charged lipid molecules such as phosphatidylserine (PS) and phosphoglycerol (PG). A mixture with lipid molecules is used. In addition, cholesterol or the like may be mixed.
As a method for forming the lipid bilayer membrane 30, for example, a giant lipid vesicle composed of a three-component system of neutral lipid/negatively charged lipid/cholesterol having a diameter of 10 μm or more is developed on a substrate to form a lipid bilayer. A heavy film 30 may be obtained. By adopting this formation method, when a plurality of well structures 20 are provided on the substrate 10, the plurality of well structures 20 can be stably covered with the lipid bilayer membrane 30 without gaps at one time.

蛍光物質を井戸構造20内部に配置する場合には、蛍光物質を含む溶液を井戸構造20の内部に接触させた状態で、前述と同様に、巨大脂質ベシクルを展開する。その結果、井戸構造20内部に蛍光物質を封じ込んだ状態で井戸構造20の開口部21を脂質二重膜30で覆う事ができる。井戸構造20の外部に残存する蛍光物質は、井戸構造20外部の溶液を蛍光物質が含まれない溶液で置換する事で除外する事ができる。 When the fluorescent substance is placed inside the well structure 20 , the giant lipid vesicles are developed in the same manner as described above while the solution containing the fluorescent substance is in contact with the inside of the well structure 20 . As a result, the opening 21 of the well structure 20 can be covered with the lipid bilayer membrane 30 while enclosing the fluorescent substance inside the well structure 20 . The fluorescent substance remaining outside the well structure 20 can be removed by replacing the solution outside the well structure 20 with a solution containing no fluorescent substance.

開口部21を封止するための巨大脂質ベシクルを作製する代表的な手法としては、静置水和法や電界形成法がある。ベシクルの作製手法は特に限定されないが、巨大脂質ベシクルが作製しやすく、また反応時間や反応プロセスの簡易性から、電界形成法を採用することが好ましい。電界形成法は、酸化インジウムスズ(ITO)等の電極上に、脂質分子を薄膜化した後、交流電場をかけて水溶液中に巨大脂質膜ベシクルを形成する手法である。
サイズのそろった脂質小胞を得るためには、ITO基板上に厚さ数十nm~数μmの均一な脂質分子の薄膜を形成することが好ましく、また、交流電場は数百mV~2V程度の印加条件が好ましい。該電場範囲よりも低い電場強度では、ベシクルの収量が低く、該電場範囲よりも高い電場強度では、ベシクルの構造破壊や水の電気分解が生じ、ベシクルが製造できない可能性があるからである。
Typical techniques for producing giant lipid vesicles for sealing openings 21 include static hydration and electric field formation. The method for producing vesicles is not particularly limited, but it is preferable to employ the electric field formation method because it facilitates the production of giant lipid vesicles and the simplicity of the reaction time and reaction process. The electric field formation method is a technique in which a lipid molecule is formed into a thin film on an electrode such as indium tin oxide (ITO) and then an alternating electric field is applied to form giant lipid membrane vesicles in an aqueous solution.
In order to obtain lipid vesicles of uniform size, it is preferable to form a uniform thin film of lipid molecules with a thickness of several tens of nm to several μm on an ITO substrate, and an alternating electric field of several hundred mV to 2V. is preferable. This is because if the electric field strength is lower than the electric field range, the yield of vesicles is low, and if the electric field strength is higher than the electric field range, structural destruction of vesicles and electrolysis of water occur, and vesicles may not be produced.

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
(井戸構造を有する基板の作製)
基板に、井戸構造と、井戸構造の開口部にオーバーハング部を形成させた。
[Experimental example 1]
(Preparation of Substrate Having Well Structure)
A substrate was formed with a well structure and an overhang portion at the opening of the well structure.

まず、基板10として、シリコン基板を用意した。基板10の上面に、120nmの厚さのシリコン酸化膜層(薄膜層)11を、熱酸化法により形成した。続いて、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、円形状の開口部(直径1μm)を持つ井戸構造20を形成した。井戸構造の深さは1μmに設定した。 First, a silicon substrate was prepared as the substrate 10 . A silicon oxide film layer (thin film layer) 11 having a thickness of 120 nm was formed on the upper surface of the substrate 10 by thermal oxidation. Subsequently, a well structure 20 having a circular opening (1 μm in diameter) was formed by photolithography and dry etching. The depth of the well structure was set to 1 μm.

続いて、井戸構造20を形成させた上述の基板10に、水酸化カリウム溶液(10重量%)を接触させた。これにより、シリコン酸化膜層11の下の基板10を、選択的にエッチングし、井戸構造20の開口部21の四隅にオーバーハング部11aを形成した。 Subsequently, the substrate 10 having the well structure 20 formed thereon was brought into contact with a potassium hydroxide solution (10% by weight). As a result, the substrate 10 under the silicon oxide film layer 11 was selectively etched to form overhangs 11 a at the four corners of the opening 21 of the well structure 20 .

[実験例2]
(巨大脂質膜ベシクルの作製および基板への展開)
実験例1において得られた基板上で、脂質膜を開裂し、井戸構造の開口部を脂質二重膜で封止した。
[Experimental example 2]
(Preparation of giant lipid membrane vesicles and development on substrates)
On the substrate obtained in Experimental Example 1, the lipid membrane was cleaved and the opening of the well structure was sealed with a lipid bilayer membrane.

まず、ジオレオイルホスファチジルコリン(DOPC)(80モル%)とジオレオイルホスファチジルセリン(DOPS)(20モル%)の混合クロロホルム溶液(濃度2.5mM)を調製し、得られた溶液に、脂質二重膜用蛍光ラベル剤としてNBD(NBD‐DOPE)を0.5モル%含有させた。 First, a mixed chloroform solution (concentration: 2.5 mM) of dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) (80 mol%) and dioleoylphosphatidylserine (DOPS) (20 mol%) was prepared, and the resulting solution was 0.5 mol % of NBD (NBD-DOPE) was contained as a fluorescent labeling agent for a heavy film.

続いて、ITO基板(ガラス上に膜厚100nmのITOが薄膜化された基板、サイズ40×40mm、50~100Ω)上に、前記クロロホルム溶液200μLを均一に塗布した。この基板を、室温で2時間、減圧乾燥して、クロロホルム溶媒を完全に除去することで、均一な脂質分子薄膜をITO基板上に形成した。 Subsequently, 200 μL of the chloroform solution was uniformly applied onto an ITO substrate (substrate in which ITO was thinned to a film thickness of 100 nm on glass, size 40×40 mm, 50 to 100Ω). This substrate was dried under reduced pressure at room temperature for 2 hours to completely remove the chloroform solvent, thereby forming a uniform lipid molecule thin film on the ITO substrate.

続いて、ITO基板上に、窓部を有するシリコンゴム(外寸30×30mm、厚さ1mmのシリコンゴムを20×20mmのサイズでくり貫いた窓部を有する)を密着して配置し、窓部に30mMのスクロース水溶液500μLを滴下した。続いて、その上部にITO基板を気泡が入らないように配置し、シリコンゴム窓部にある溶液をITO基板で挟み込んだ。 Subsequently, on the ITO substrate, a silicon rubber having a window (having a window of 20×20 mm in which a silicon rubber having an outer dimension of 30×30 mm and a thickness of 1 mm is hollowed out) is placed in close contact with the window. 500 μL of 30 mM sucrose aqueous solution was dropped into the part. Subsequently, an ITO substrate was placed on top of this so as not to contain air bubbles, and the solution in the silicone rubber window was sandwiched between the ITO substrates.

続いて、ITO基板にクリップ電極を接合し、室温で交流電場(正弦波、1V、10Hz)を2時間印加することで、電界形成法により巨大脂質膜ベシクルをスクロース溶液中に分散して形成させた。 Subsequently, a clip electrode was attached to the ITO substrate, and an alternating electric field (sine wave, 1 V, 10 Hz) was applied at room temperature for 2 hours to form giant lipid membrane vesicles dispersed in the sucrose solution by the electric field formation method. rice field.

井戸構造20を有する基板10の上に、溶液(20mM酢酸緩衝液 pH4.5)100μLを滴下した。さらに、前記巨大脂質膜ベシクル分散液2μLを溶液中に滴下し、2分間静置することで巨大脂質膜ベシクルを基板上に展開した。球状構造を有するベシクルは基板に衝突し、その球状構造が破壊されることで井戸構造20を覆うように脂質二重膜を形成する。 100 μL of a solution (20 mM acetate buffer, pH 4.5) was dropped onto the substrate 10 having the well structure 20 . Furthermore, 2 μL of the giant lipid membrane vesicle dispersion liquid was dropped into the solution and allowed to stand for 2 minutes to spread the giant lipid membrane vesicles on the substrate. A vesicle having a spherical structure collides with the substrate, and the spherical structure is destroyed to form a lipid bilayer membrane covering the well structure 20 .

続いて、励起光として488nmおよび561nmの波長レーザーを使用し、蛍光観察像を取得した。結果を図5に示す。図5(a)は、脂質二重膜を標識するNBD-DOPEに由来する蛍光を、脂質膜デバイスの上から撮影した蛍光画像である。図5(b)は561nmレーザーによって励起することで得られた図5(a)と同じ位置の蛍光画像である。 Subsequently, a fluorescence observation image was obtained using lasers with wavelengths of 488 nm and 561 nm as excitation light. The results are shown in FIG. FIG. 5(a) is a fluorescence image of fluorescence derived from NBD-DOPE, which labels the lipid bilayer membrane, taken from above the lipid membrane device. FIG. 5(b) is a fluorescence image of the same position as FIG. 5(a) obtained by excitation with a 561 nm laser.

[実験例3]
(出芽ベシクルによるタンパク質導入)
実験例2において作製した、脂質二重膜30で覆われた基板に、バキュロウイルス由来の出芽ベシクル(BV)を添加した。BVには膜タンパク質であるヒトアドレナリン受容体β2(ADRB2)に蛍光プローブRFPを前記受容体のC末端に融合して発現させたものを用いた。
[Experimental example 3]
(Protein introduction by budding vesicles)
Baculovirus-derived budding vesicles (BV) were added to the substrate covered with the lipid bilayer membrane 30 prepared in Experimental Example 2. As BV, human adrenergic receptor β2 (ADRB2), which is a membrane protein, was expressed by fusing a fluorescent probe RFP to the C-terminus of the receptor.

BV添加後、室温で静置し、共焦点顕微鏡で蛍光画像を取得した。結果を図6に示す。図6(a)は、膜タンパク質を含む脂質膜により井戸構造を封止したデバイスを、488nmレーザーによって励起し、上から撮影して得られた蛍光画像である。図6(b)は561nmレーザーによって励起した蛍光画像である。図6(b)においては赤い輝点が観察された。 After adding BV, the mixture was allowed to stand at room temperature, and fluorescence images were acquired with a confocal microscope. The results are shown in FIG. FIG. 6(a) is a fluorescence image obtained by photographing a device in which a well structure is sealed with a lipid membrane containing membrane proteins, excited by a 488 nm laser, and photographed from above. FIG. 6(b) is a fluorescence image excited by a 561 nm laser. Red bright spots were observed in FIG. 6(b).

図7は、図5(b)及び図6(b)の破線における、RFPの蛍光強度を測定した結果である。図7中、「融合前」は図5(b)の破線における蛍光強度を示し、「融合後」は図6(b)の破線における蛍光強度を示す。「自立膜部」は、破線部上にある井戸構造の開口部が脂質二重膜によって封止された部分を示す。 FIG. 7 shows the results of measuring the fluorescence intensity of RFP along the dashed lines in FIGS. 5(b) and 6(b). In FIG. 7, "before fusion" indicates the fluorescence intensity along the dashed line in FIG. 5(b), and "after fusion" indicates the fluorescence intensity along the dashed line in FIG. 6(b). "Self-supporting membrane portion" indicates a portion where the opening of the well structure on the dashed line is sealed with a lipid bilayer membrane.

その結果、基板上の脂質二重膜だけでなく、自立膜部においても、図5(b)における蛍光強度よりも、図7(b)における蛍光強度の値は大きいことが明らかになった。 As a result, it was found that the fluorescence intensity in FIG. 7(b) was larger than that in FIG. 5(b) not only in the lipid bilayer membrane on the substrate but also in the self-supporting membrane portion.

これは561nmレーザーで励起されるヒトアドレナリン受容体β2を標識している蛍光タグRFP由来であり、ヒトアドレナリン受容体β2が脂質二重膜に導入されたことを示している。矢印で示している脂質二重膜で覆われた井戸構造20にADRB2を標識しているRFP由来の蛍光が観察された。 This was derived from the fluorescent tag RFP labeling human adrenergic receptor β2 excited by a 561 nm laser, indicating that human adrenergic receptor β2 was introduced into the lipid bilayer membrane. RFP-derived fluorescence labeling ADRB2 was observed in the well structure 20 covered with the lipid bilayer membrane indicated by the arrow.

BVを使用する本手法によってタンパク質機能解析可能箇所である脂質二重膜で覆われた井戸構造20へタンパク質を導入することに成功した。 By this technique using BV, we succeeded in introducing the protein into the well structure 20 covered with the lipid bilayer membrane, which is a site where the protein function can be analyzed.

本発明により、人工脂質二重膜における膜タンパク質の配向を制御することが可能となる。 The present invention makes it possible to control the orientation of membrane proteins in an artificial lipid bilayer membrane.

1…脂質膜デバイス、1A、1B、1C…脂質膜デバイス、10…基板、11…薄膜層、11a…オーバーハング部、20…井戸構造、21…開口部、23、24…蛍光物質、30…脂質二重膜、40…電極(電極層)、50…出芽ベシクル(脂質膜)、50a…(膜タンパク質60を含む)出芽ベシクル、60…(第1の)膜タンパク質、61…第2の膜タンパク質、70…巨大脂質ベシクル、70a…(膜タンパク質60を含む)巨大脂質ベシクル、80…流路 Reference Signs List 1 Lipid membrane device 1A, 1B, 1C Lipid membrane device 10 Substrate 11 Thin film layer 11a Overhang 20 Well structure 21 Opening 23, 24 Fluorescent substance 30 Lipid bilayer membrane 40 Electrode (electrode layer) 50 Budding vesicle (lipid membrane) 50a Budding vesicle (including membrane protein 60) 60 (first) membrane protein 61 Second membrane Protein, 70... giant lipid vesicle, 70a... giant lipid vesicle (including membrane protein 60), 80... channel

Claims (8)

一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記基板の前記一方面上に形成され、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備える脂質膜デバイスの前記脂質二重膜に、
脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を融合させ、その結果、前記脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入される工程を含
前記基板の前記一方面と前記脂質二重膜との間に薄膜層が積層され、前記薄膜層は、前記井戸構造の前記開口部に延在するオーバーハング部を有する、
脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法。
The lipid bilayer membrane of a lipid membrane device comprising a substrate having a well structure opening on one side, and a lipid bilayer membrane formed on the one side of the substrate and sealing the opening of the well structure. to the
fusing a lipid vesicle containing a membrane protein within a lipid membrane such that the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane;
A thin film layer is laminated between the one surface of the substrate and the lipid bilayer membrane, and the thin film layer has an overhang extending to the opening of the well structure.
A method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane.
一方面上に開口する井戸構造を有する基板の前記一方面に、
脂質膜内に膜タンパク質を含む脂質小胞を接触させ、その結果、前記脂質小胞が開裂して前記膜タンパク質を含む脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて前記井戸構造の開口部を封止し、前記脂質二重膜に膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスが形成される工程を含む、
脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法。
On the one side of the substrate having a well structure opening on one side,
A lipid vesicle containing a membrane protein is brought into contact with a lipid membrane, as a result of which the lipid vesicle is cleaved to form a lipid bilayer membrane containing the membrane protein, and formed on the one surface to open the well structure. Sealing the part to form a lipid membrane device in which a membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane,
A method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane.
前記脂質小胞が、前記膜タンパク質を発現したウイルス由来の出芽ベシクルである、請求項1又は2に記載の脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法。 3. The method for producing a lipid membrane device in which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane according to claim 1, wherein the lipid vesicle is a virus-derived budding vesicle expressing the membrane protein. 前記脂質小胞が、前記膜タンパク質を発現したウイルス由来の出芽ベシクルと巨大脂質ベシクルを融合させたものである、請求項1又は2に記載の脂質二重膜に前記膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法。 3. The lipid into which the membrane protein is introduced into the lipid bilayer membrane according to claim 1 or 2, wherein the lipid vesicle is a fusion of a virus-derived budding vesicle expressing the membrane protein and a giant lipid vesicle. A method for manufacturing a membrane device. 一方面上に開口する複数の井戸構造を有する基板の前記一方面に、第1の脂質小胞を接触させ、その結果、前記第1の脂質小胞が開裂して第1の脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて一部の前記井戸構造の開口部を封止する工程と、
前記開口部の前記第1の脂質二重膜に、脂質膜内に第1の膜タンパク質を含む第2の脂質小胞を融合させ、その結果、前記開口部の前記第1の脂質二重膜に前記第1の膜タンパク質が導入される工程と、
前記基板の前記一方面に、脂質膜内に第2の膜タンパク質を含む第3の脂質小胞を接触させ、その結果、前記第3の脂質小胞が開裂して前記第2の膜タンパク質を含む第2の脂質二重膜となり、前記一方面上に形成されて前記井戸構造の開口部を封止し、前記第2の脂質二重膜に第2の膜タンパク質が導入される工程と、を含む、脂質二重膜に前記第1の膜タンパク質及び前記第2の膜タンパク質が導入された脂質膜デバイスの製造方法。
A first lipid vesicle is brought into contact with the one surface of a substrate having a plurality of well structures open on one surface, and as a result, the first lipid vesicle is cleaved to form a first lipid bilayer membrane. a step of sealing an opening of a portion of the well structure formed on the one surface;
fusing a second lipid vesicle comprising a first membrane protein within a lipid membrane to said first lipid bilayer membrane of said opening, resulting in said first lipid bilayer membrane of said opening; introducing said first membrane protein into
contacting the one surface of the substrate with a third lipid vesicle containing a second membrane protein in a lipid membrane, whereby the third lipid vesicle is cleaved to release the second membrane protein; forming a second lipid bilayer membrane comprising a second lipid bilayer membrane formed on the one surface to seal the opening of the well structure, and introducing a second membrane protein into the second lipid bilayer membrane; A method for producing a lipid membrane device in which the first membrane protein and the second membrane protein are introduced into the lipid bilayer membrane.
一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、
前記脂質二重膜は膜タンパク質を含み、
前記膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されており、
前記膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されており
前記基板の前記一方面と前記脂質二重膜との間に薄膜層が積層され、前記薄膜層は、前記井戸構造の前記開口部に延在するオーバーハング部を有する、
脂質膜デバイス。
A substrate having a well structure with an opening on one side, and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure,
The lipid bilayer membrane comprises a membrane protein,
the extracellular region of the membrane protein is located outside the sealed well structure;
the intracellular region of the membrane protein is located inside the sealed well structure;
A thin film layer is laminated between the one surface of the substrate and the lipid bilayer membrane, and the thin film layer has an overhang extending to the opening of the well structure.
Lipid membrane device.
一方面上に開口する井戸構造を有する基板と、前記井戸構造の開口部を封止する脂質二重膜とを備え、
前記脂質二重膜は膜タンパク質を含み、
前記膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記井戸構造の内部に配置されており、
前記膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記井戸構造の外部に配置されている、脂質膜デバイス。
A substrate having a well structure with an opening on one side, and a lipid bilayer membrane sealing the opening of the well structure,
The lipid bilayer membrane comprises a membrane protein,
the extracellular region of the membrane protein is located inside the sealed well structure;
A lipid membrane device, wherein the intracellular region of the membrane protein is located outside the sealed well structure.
一方面上に開口した第1の井戸構造及び第2の井戸構造を有する基板と、前記第1の井戸構造の開口部を封止する第1の脂質二重膜と、前記第2の井戸構造の開口部を封止する第2の脂質二重膜とを備え、
前記第1の脂質二重膜は第1の膜タンパク質を含み、
前記第2の脂質二重膜は第2の膜タンパク質を含み、
前記第1の膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記第1の井戸構造の外部に配置されており、
前記第1の膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記第1の井戸構造の内部に配置されており、
前記第2の膜タンパク質の細胞外領域は封止された前記第2の井戸構造の内部に配置されており、
前記第2の膜タンパク質の細胞内領域は封止された前記第2の井戸構造の外部に配置されている、脂質膜デバイス。
A substrate having a first well structure and a second well structure that are open on one surface, a first lipid bilayer membrane that seals the opening of the first well structure , and the second well structure . and a second lipid bilayer membrane that seals the opening of
said first lipid bilayer membrane comprising a first membrane protein;
said second lipid bilayer membrane comprising a second membrane protein;
the extracellular region of the first membrane protein is located outside the sealed first well structure;
the intracellular region of the first membrane protein is disposed within the sealed first well structure;
the extracellular region of the second membrane protein is located inside the sealed second well structure;
A lipid membrane device, wherein the intracellular region of the second membrane protein is located outside the sealed second well structure.
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