極微小デバイスを用いた生体分子・細胞・組織の顕微操作と解析

Abstract

61 はじめに 生命科学におけるブレークスルーは, しばしば新しい観察・ 計測技術の発明や発展によりもたらされてきた. 16世紀末に 発明された光学顕微鏡は17世紀には細胞の発見を初め, 生 物学, 医学, 物理学に革命をもたらし, 現在ではその精度 の向上と多様化により, 蛍光顕微鏡によるモータ蛋白質の機 械的挙動一分子イメージング(Noji et al. 1997, Kitamura et al. 1999)や, 生きた細胞内の一分子モニタリングも可能となった (Luo et al. 2012). また, 二光子顕微鏡では胚細胞内の個別 の細胞核を明確に識別することができ, 生きたままの組織や細 胞内部を三次元で観察するライブイメージングの分野でも強力 なツールとなっている(Kurihara et al. 2013). このように, 観察 する「目」にあたる顕微鏡技術の進展は目覚ましいが, 顕微鏡 観察下で細胞や分子を自由自在に操作 ・ 解析する「手」に相 当する技術に関しては, 多くの課題が残されている. 植物試 料を含む多くの生体試料の観察は, 通常ガラス基板上に無作 為に配置,または固定して顕微鏡観察を行っている. そのため, 観察中試料を任意の位置, 方向, 角度に高精度で配向, ま たは操作したり, 外部から高い位置精度で刺激を与えその応 答を観察することは困難であった. サブミクロンのスケールで 微細な構造物を製作できるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems) (Trimmer 1997, Judy 2001)に代表される微細加工技 術では, 細胞と同程度のスケールで「手」を製作することが可 能であり, これまで細胞, 蛋白質, 核酸などのハンドリングや 分析に応用されてきた(Arata et al. 2008a). マイクロスケールにおける微細加工技術の代表ともいえる MEMS技術は, 半導体微細加工技術を応用してマイクロメー トル (10 m) スケールからサブマイクロメートルスケールの構造 物を, 主にシリコン基板上に製作する技術である. 微小化す ることにより高感度, 高応答速度のデバイスを実現できるため, MEMS技術は微小センサ, アクチュエータ(動力源), 微小リ アクタ, 無線デバイス, 光スイッチなどに応用されてきた. 一 方で, 主にMEMS技術を用いて複数の化学プロセスをチップ 状で行うマイクロTAS (Micro-Total-Analysis-Systems)(Reyes et al. 2002, Auroux et al. 2002)では極微量のサンプルで化学・ 生化学分析が可能である. 微小空間で微量の液体を扱うため, Plant Morphology vol. 25 pp. 61-66 INVITED REVIEW