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JP5770615B2 - Method for producing lipid bilayer membrane substrate - Google Patents

Method for producing lipid bilayer membrane substrate Download PDF

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JP5770615B2 JP2011269091A JP2011269091A JP5770615B2 JP 5770615 B2 JP5770615 B2 JP 5770615B2 JP 2011269091 A JP2011269091 A JP 2011269091A JP 2011269091 A JP2011269091 A JP 2011269091A JP 5770615 B2 JP5770615 B2 JP 5770615B2
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弘二 住友
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寛 中島
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明佳 島田
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慶一 鳥光
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Description

本発明は、脂質二分子膜基板、脂質二分子膜基板の製造方法、及びハイドロゲル基板に関する。   The present invention relates to a lipid bilayer membrane substrate, a method for producing a lipid bilayer membrane substrate, and a hydrogel substrate.

基板に、タンパク質、核酸、糖鎖、脂質、細胞等を備えたバイオチップが、新薬探索(Drug Discovery)や創薬において盛んに利用されている。タンパク質の中でも、細胞膜においてレセプターやチャネルとして機能する膜タンパク質が、創薬標的として非常に注目されている。2000年度の米国における医薬の売り上げトップ20のうち、膜タンパク質(GPCR,イオンチャネルを含む)を標的とする医薬が約50%を占めている(非特許文献1参照)。膜タンパク質の重要性は今後も益々高まると考えられ、種々の膜タンパク質の機能測定を行うことが可能な実験系やバイオチップの開発は非常に重要である。   Biochips that have proteins, nucleic acids, sugar chains, lipids, cells, etc. on substrates are actively used in drug discovery and drug discovery. Among proteins, a membrane protein that functions as a receptor or a channel in a cell membrane has received much attention as a drug discovery target. Of the top 20 pharmaceutical sales in the United States in FY 2000, about 50% of the drugs target membrane proteins (including GPCRs and ion channels) (see Non-Patent Document 1). The importance of membrane proteins will continue to increase in the future, and the development of experimental systems and biochips capable of measuring the functions of various membrane proteins is very important.

細胞から膜タンパク質を取り出すことなく、生きた細胞を構成する細胞膜を試料として、そこに含まれる膜タンパク質の機能解析をする方法、例えばパッチクランプ法(非特許文献2参照)が従来知られている。しかしながら、試料とした細胞膜中には種々の膜タンパク質が含まれているため、得られるデータにはノイズが多く含まれるという問題があった。このため、特定の膜タンパク質を特定の濃度で含む試料を使用することが望ましい。
しかしながら、創薬標的となるような膜タンパク質は巨大で複雑な構造を有しており、細胞膜から精製されると変性し易いという技術的な困難さがある。このため、正常な機能を維持した状態で膜タンパク質をバイオチップ等のin vitro測定系に組み込むための技術開発が進められている。
Conventionally known is a method for analyzing the function of a membrane protein contained in a cell membrane constituting a living cell without taking out the membrane protein from the cell, for example, a patch clamp method (see Non-Patent Document 2). . However, since the cell membrane used as a sample contains various membrane proteins, there is a problem that the obtained data contains a lot of noise. For this reason, it is desirable to use a sample containing a specific membrane protein at a specific concentration.
However, a membrane protein that is a drug discovery target has a huge and complicated structure, and there is a technical difficulty that it is easily denatured when purified from a cell membrane. For this reason, technological development for incorporating a membrane protein into an in vitro measurement system such as a biochip while maintaining a normal function is underway.

この測定系の一例としては、脂質分子をn−デカンなどの有機溶媒に溶解し、水溶液中で該有機溶媒をプラスチック板等に設けられた小穴に塗りつけることにより黒膜を形成し、形成した黒膜に膜タンパク質を融合させた測定系を準備して、この測定系において、膜タンパク質の電解質溶液中におけるイオン透過性の変化を、電流の変化として計測する技術がある(例えば非特許文献3)。
しかしながら、上述の黒膜化法では下記のような問題がある。
1)脂質分子を溶解している有機溶媒は高沸点であるため、膜形成後も残留してしまう。
2)小穴に塗りつけた脂質溶液の自発的膜形成に頼るため、形成された膜は脂質二分子膜とその周囲を取り囲む環状バルク層との混合状態であり、小穴全面を均一な脂質二分子膜で覆うことが困難である。
3)測定のたびに小穴を手作業で作成する必要があるため、穴の径が不均一で、測定結果にばらつきが生じてしまう。
As an example of this measurement system, a black film is formed by dissolving lipid molecules in an organic solvent such as n-decane, and applying the organic solvent to a small hole provided in a plastic plate or the like in an aqueous solution. There is a technique in which a measurement system in which a membrane protein is fused with a membrane is prepared, and in this measurement system, a change in ion permeability in an electrolyte solution of the membrane protein is measured as a change in current (for example, Non-Patent Document 3). .
However, the above black film forming method has the following problems.
1) The organic solvent in which lipid molecules are dissolved has a high boiling point, and therefore remains after film formation.
2) In order to rely on spontaneous film formation of lipid solution applied to the small holes, the formed film is a mixed state of the lipid bilayer membrane and the annular bulk layer surrounding the periphery, and the entire surface of the small hole is a uniform lipid bilayer membrane It is difficult to cover with.
3) Since it is necessary to manually create a small hole for each measurement, the diameter of the hole is non-uniform and the measurement results vary.

細胞膜は、全面が脂質二分子膜で形成されており、その中で膜タンパク質は機能している。残留有機溶媒や脂質二分子膜の不均一性は、膜タンパク質の機能・形態に影響を与える可能性がある。このため、膜タンパク質の機能を正確に測定するためには、より細胞膜を模倣した状態、つまり、全面が脂質二分子膜で覆われた系における測定が必要となる。また、測定毎の結果のばらつきを解消するためには、均一な穴径の小穴を複数作製することが望ましい。それによって、一度の測定で多点計測が可能になり、測定結果のばらつきを平均化することが可能になる。   The entire surface of the cell membrane is formed of a lipid bilayer membrane, in which the membrane protein functions. The heterogeneity of residual organic solvents and lipid bilayers may affect the function and morphology of membrane proteins. Therefore, in order to accurately measure the function of the membrane protein, it is necessary to measure in a state that mimics the cell membrane, that is, a system in which the entire surface is covered with a lipid bilayer membrane. Moreover, in order to eliminate the variation in results for each measurement, it is desirable to produce a plurality of small holes having a uniform hole diameter. As a result, multipoint measurement can be performed by one measurement, and variations in measurement results can be averaged.

そこで、本発明者らは、人工的に作製した穴部を有し、該穴部の開口部をオーバーハング形状とした基板の上部に、膜タンパク質を有した脂質二分子膜を展開させた基板によって、上記の問題点を改善する技術を提案している(例えば非特許文献4)。
この基板では、微小穴の開口部を覆う脂質二分子膜を形成するために、均一な脂質二分子膜から成る巨大ベシクルを用いているため、残留溶媒や膜の不均一性の問題が解決されている。また、基板上に複数の微小穴をアレイ化しているため、測定結果を平均化することが可能であり、迅速かつ高感度な測定が可能になる。このような、人工的に作製した微小穴を有し、精製した膜タンパク質を配置できる脂質二分子膜基板(膜タンパク質固定化基板)はin vivoに類似した条件下でのin vitro測定系を実現するものとして期待されている(例えば、特許文献1)。また、固体基板上に人工的に作製した穴部(微小穴)を有する構造は、膜タンパク質の機能を利用するバイオセンサへの応用も期待されている(例えば、非特許文献5)。
Accordingly, the present inventors have a substrate in which a lipid bilayer membrane having a membrane protein is developed on an upper portion of a substrate having an artificially prepared hole portion and an opening portion of the hole portion being an overhang shape. Proposed a technique for improving the above problem (for example, Non-Patent Document 4).
In this substrate, a huge vesicle made of a uniform lipid bilayer is used to form a lipid bilayer covering the opening of the microhole, so that the problem of residual solvent and non-uniformity of the membrane is solved. ing. In addition, since a plurality of minute holes are arrayed on the substrate, the measurement results can be averaged, and measurement can be performed quickly and with high sensitivity. Such a lipid bilayer membrane substrate (membrane protein-immobilized substrate) that has artificially prepared micropores and on which purified membrane proteins can be placed realizes an in vitro measurement system under conditions similar to those in vivo This is expected to be performed (for example, Patent Document 1). In addition, a structure having a hole (micro hole) artificially formed on a solid substrate is expected to be applied to a biosensor using the function of a membrane protein (for example, Non-Patent Document 5).

特開2008−275481号公報JP 2008-275481 A

Drews J. Science, 287: 1960-1964 (2000)Drews J. Science, 287: 1960-1964 (2000) E. Neher and B. Sakaman, Nature 260, 799 (1976)E. Neher and B. Sakaman, Nature 260, 799 (1976) 「新パッチクランプ実験技術法」岡田泰伸 編 (2001年,吉岡書店)"New Patch Clamp Experiment Method" edited by Yasunobu Okada (2001, Yoshioka Shoten) K. Sumitomo et al. Applied Physics Express Vol. 3, 107001 (2010)K. Sumitomo et al. Applied Physics Express Vol. 3, 107001 (2010) K. Sumitomo et al. NTT Technical Review Vol. 4, No.9 pp40-47K. Sumitomo et al. NTT Technical Review Vol. 4, No.9 pp40-47

少量の膜タンパク質の機能を、感度良く、定量的に測定するためには、微小穴を安定に脂質二分子膜で覆う必要がある。しかし、測定中に、膜の張力、応力、穴内外の浸透圧、温度等が変化する場合に、脂質二分子膜が容易に穴の内部に落ち込んだり破れたりするという問題があった。   In order to quantitatively measure the function of a small amount of membrane protein with high sensitivity, it is necessary to stably cover the micropores with a lipid bilayer membrane. However, when the membrane tension, stress, osmotic pressure inside and outside the hole, temperature, and the like change during the measurement, there is a problem that the lipid bilayer membrane easily falls into the hole or is broken.

上記事情に鑑み、本発明は、脂質二分子膜の安定性が向上した脂質二分子膜基板、該脂質二分子膜基板の製造方法、及びその製造方法に用いられるハイドロゲル基板を提供することを目的としている。   In view of the above circumstances, the present invention provides a lipid bilayer substrate with improved stability of the lipid bilayer membrane, a method for producing the lipid bilayer membrane substrate, and a hydrogel substrate used in the production method. It is aimed.

本発明に関連する脂質二分子膜基板は、基板に穴部が設けられ、該穴部の開口が脂質二分子膜によって覆われている脂質二分子膜基板であって、前記穴部の中にハイドロゲルが充填されていることを特徴とする。
本発明に関連する脂質二分子膜基板によれば、穴部に充填されたハイドロゲルが脂質二分子膜を支持することにより、脂質二分子膜の安定性を向上させることができる。この結果、浸透圧変化や温度変化による影響を受け難くなる。また、当該基板を運搬する際の振動等の影響も受け難くなる。この結果、脂質二分子膜が穴部の中に落ち込んだり破れたりすることを防止できる。
The lipid bilayer membrane substrate related to the present invention is a lipid bilayer membrane substrate in which a hole is provided in the substrate, and the opening of the hole is covered with the lipid bilayer membrane, It is characterized by being filled with hydrogel.
According to the lipid bilayer membrane substrate related to the present invention , the hydrogel filled in the holes supports the lipid bilayer membrane, whereby the stability of the lipid bilayer membrane can be improved. As a result, it becomes difficult to be affected by changes in osmotic pressure and temperature. Further, it is difficult to be affected by vibrations or the like when transporting the substrate. As a result, it is possible to prevent the lipid bilayer membrane from falling into the hole or torn.

本発明に関連する脂質二分子膜基板は前記脂質二分子膜と前記ハイドロゲルとが、前記開口において接していることを特徴とする。
この構成によれば、開口における脂質二分子膜をより安定に維持することができる。さらに、脂質二分子膜を、細胞膜を構成する脂質二分子膜に近い状態(生理学的な状態)に近づけることができる。これは、ハイドロゲルの性状が細胞を構成する細胞質に近いためである。この結果、当該脂質二分子膜に配置した膜タンパク質の機能を生理学的な状態で解析することができる。
Lipid bilayer substrate related to the present invention, and the lipid bilayer and said hydrogel, characterized in that the contact in the opening.
According to this configuration, the lipid bilayer membrane at the opening can be maintained more stably. Further, the lipid bilayer membrane can be brought close to a state (physiological state) close to the lipid bilayer membrane constituting the cell membrane. This is because the properties of the hydrogel are close to the cytoplasm constituting the cells. As a result, the function of the membrane protein arranged in the lipid bilayer membrane can be analyzed in a physiological state.

本発明に関連する脂質二分子膜基板は前記穴部の開口に該開口を狭める方向に延びるオーバーハング部が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、開口における脂質二分子膜をより安定に維持することができる。さらに、当該基板の製造時において、開口を覆うように脂質二分子膜を配することがより容易となる。
Lipid bilayer substrate related to the present invention is characterized in that the overhang portion extending in a direction to narrow the opening to the opening of the hole portion.
According to this configuration, the lipid bilayer membrane at the opening can be maintained more stably. Furthermore, it becomes easier to arrange the lipid bilayer so as to cover the opening during the production of the substrate.

本発明に関連する脂質二分子膜基板は前記脂質二分子膜における前記開口を覆っている部分に、膜タンパク質が配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、膜安定性が向上した脂質二分子膜において、当該膜タンパク質の機能を解析することができる。
Lipid bilayer substrate related to the present invention, the portion covering the opening in the lipid bilayer, wherein the membrane protein is located.
According to this configuration, the function of the membrane protein can be analyzed in a lipid bilayer membrane with improved membrane stability.

本発明に関連する脂質二分子膜基板は前記ハイドロゲルの内部に蛍光分子が含まれていることを特徴とする。
この構成によれば、脂質二分子膜でシールされた穴内部の状態を当該蛍光分子によって調べることができる。また、蛍光分子が穴外部へ流出することを抑制できる。
Lipid bilayer substrate related to the present invention is characterized in that it contains the fluorescent molecules inside the hydrogel.
According to this configuration, the state inside the hole sealed with the lipid bilayer membrane can be examined by the fluorescent molecule. Moreover, it can suppress that a fluorescent molecule flows out of a hole.

本発明の請求項に記載の脂質二分子膜基板の製造方法は、基板の上面にハイドロゲル前駆体を含む溶液を注いで、前記基板の上面に設けられた穴部の中に前記溶液を充填する充填工程と、前記基板の上方にある前記溶液に巨大ベシクルを添加し、前記巨大ベシクルを沈降させ、前記穴部の近傍で前記巨大ベシクルを展開し、前記穴部の開口を脂質二分子膜で覆う脂質二分子膜形成工程と、前記穴部の外部のハイドロゲル前駆体を含む溶液を除去せずに、前記穴部の内外において、前記溶液中のハイドロゲル前駆体をゲル化させてハイドロゲルを形成するゲル化工程と、を有することを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の脂質二分子膜基板の製造方法は、請求項1において、前記脂質二分子膜を損なわないように前記穴部の外部のハイドロゲルを除去する工程をさらに有することを特徴とする。
The method of manufacturing the lipid bilayer substrate of claim 1 of the present invention, pouring a solution containing a hydrogel precursor on the upper surface of the substrate, the solution in the hole portion provided in the upper surface of the substrate A filling step of filling, adding a giant vesicle to the solution above the substrate, allowing the giant vesicle to settle, developing the giant vesicle in the vicinity of the hole, and opening the hole to the lipid bimolecular The step of forming a lipid bilayer film covered with a membrane and gelling the hydrogel precursor in the solution inside and outside the hole without removing the solution containing the hydrogel precursor outside the hole And a gelation step for forming a hydrogel.
The method for producing a lipid bilayer membrane substrate according to claim 2 of the present invention further comprises the step of removing hydrogel outside the hole so as not to damage the lipid bilayer membrane according to claim 1. It is characterized by.

本発明の製造方法によれば、穴部の中に充填されたハイドロゲル前駆体を含む溶液と脂質二分子膜とを、当該穴部の開口において接触させた状態で配置することができる。この状態で当該溶液をゲル化させることによって、穴内部で形成されたハイドロゲルと脂質二分子膜とを、当該穴部の開口において接触させた状態で配置することができる。この接触状態であると、穴部の中のハイドロゲルが脂質二分子膜を充分に支持することができるので、当該脂質二分子膜の安定性がより一層向上した脂質二分子膜基板を製造することができる。また、当該脂質二分子膜を生理学的状態により近づけたものとすることができる。   According to the production method of the present invention, the solution containing the hydrogel precursor filled in the hole and the lipid bilayer membrane can be arranged in contact with each other at the opening of the hole. By gelling the solution in this state, the hydrogel formed in the hole and the lipid bilayer can be arranged in contact with each other at the opening of the hole. In this contact state, since the hydrogel in the hole can sufficiently support the lipid bilayer membrane, a lipid bilayer membrane substrate with further improved stability of the lipid bilayer membrane is produced. be able to. Further, the lipid bilayer membrane can be made closer to a physiological state.

本発明の請求項に記載の脂質二分子膜基板の製造方法は、請求項1又は2において、前記穴部の開口に該開口を狭める方向に延びるオーバーハング部が設けられた基板を用いることを特徴とする。
この構成によれば、前記脂質二分子膜形成工程において、未だゲル化していない溶液が充填された穴部の開口を脂質二分子膜で覆う際に、当該脂質二分子膜が穴部の中に落ち込むことを抑制できる。この結果、脂質二分子膜基板を歩留まり良く製造することができる。
また、製造された脂質二分子膜基板において、当該脂質二分子膜の安定性をより向上させることができる。
The method for producing a lipid bilayer membrane substrate according to claim 3 of the present invention uses the substrate according to claim 1 or 2 , wherein an overhang portion extending in a direction of narrowing the opening is provided in the opening of the hole portion. It is characterized by.
According to this configuration, when the opening of the hole filled with the solution not yet gelled is covered with the lipid bilayer in the lipid bilayer formation step, the lipid bilayer is in the hole. Depressing can be suppressed. As a result, a lipid bilayer membrane substrate can be produced with high yield.
Moreover, in the manufactured lipid bilayer membrane substrate, the stability of the lipid bilayer membrane can be further improved.

本発明に関連するハイドロゲル基板前記脂質二分子膜基板を製造するためのハイドロゲル基板であって、基板に穴部が設けられ、該穴部の中にハイドロゲルが充填されていることを特徴とする。
本発明に関連する前記ハイドロゲル基板を用いることにより、前記脂質二分子膜基板を容易に得ることができる。当該ハイドロゲル基板の上面に脂質二分子膜を配置した際、当該脂質二分子膜が穴部の中に落ち込むことを防止できるからである。
The hydrogel substrate related to the present invention is a hydrogel substrate for producing the lipid bilayer membrane substrate, wherein the substrate is provided with a hole, and the hole is filled with the hydrogel. It is characterized by.
By using the hydrogel substrate related to the present invention , the lipid bilayer membrane substrate can be easily obtained. This is because when the lipid bimolecular membrane is disposed on the upper surface of the hydrogel substrate, the lipid bimolecular membrane can be prevented from falling into the hole.

本発明の脂質二分子膜基板によれば、穴部に充填されたハイドロゲルが脂質二分子膜を支持することにより、脂質二分子膜の安定性を向上させることができる。この結果、浸透圧変化や温度変化による影響を受け難くなる。また、脂質二分子膜が穴部の中に落ち込んだり破れたりすることを防止できる。さらに、膜安定性が向上した脂質二分子膜に、例えば膜タンパク質を配置することによって、該膜タンパク質の機能解析を行うことがより容易となり、信頼性の高いデータを得ることができる。また、当該脂質二分子膜の安定性が向上しているので、振動等の物理的な衝撃に対する耐性も向上している。この結果、当該基板の運搬をより容易に行うことができる。   According to the lipid bilayer membrane substrate of the present invention, the hydrogel filled in the holes supports the lipid bilayer membrane, whereby the stability of the lipid bilayer membrane can be improved. As a result, it becomes difficult to be affected by changes in osmotic pressure and temperature. In addition, the lipid bilayer membrane can be prevented from falling into the hole or tearing. Furthermore, by arranging, for example, a membrane protein on a lipid bilayer membrane with improved membrane stability, it becomes easier to analyze the function of the membrane protein, and highly reliable data can be obtained. Moreover, since the stability of the lipid bilayer membrane is improved, resistance to physical impact such as vibration is also improved. As a result, the substrate can be transported more easily.

本発明の脂質二分子膜基板の製造方法によれば、当該脂質二分子膜の安定性がより一層向上した脂質二分子膜基板を製造することができる。また、当該脂質二分子膜を生理学的状態により近づけたものとすることができる。   According to the method for producing a lipid bilayer membrane substrate of the present invention, a lipid bilayer membrane substrate with further improved stability of the lipid bilayer membrane can be produced. Further, the lipid bilayer membrane can be made closer to a physiological state.

本発明のハイドロゲル基板を用いることにより、前記脂質二分子膜基板を容易に得ることができる。   By using the hydrogel substrate of the present invention, the lipid bilayer membrane substrate can be easily obtained.

本発明にかかる脂質二分子膜基板の第一実施形態の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of 1st embodiment of the lipid bilayer membrane substrate concerning this invention. 本発明にかかる脂質二分子膜基板の第二実施形態の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of 2nd embodiment of the lipid bilayer membrane substrate concerning this invention. 本発明にかかる脂質二分子膜基板の第三実施形態の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of 3rd embodiment of the lipid bilayer membrane substrate concerning this invention. 実施例1で作製した脂質二分子膜基板の上面の蛍光観察像である。2 is a fluorescence observation image of the upper surface of a lipid bilayer substrate produced in Example 1. FIG. 比較例1で作製した脂質二分子膜基板の、浸透圧変化に対する耐性を調べた結果である。It is the result of investigating the tolerance with respect to the osmotic pressure change of the lipid bilayer membrane substrate produced in Comparative Example 1. 本発明にかかるハイドロゲル基板をAFMによって観察した結果である。It is the result of having observed the hydrogel board concerning this invention by AFM. オーバーハング部が設けられた穴部の開口を上方から観察した電子顕微鏡像である。It is the electron microscope image which observed the opening of the hole part in which the overhang part was provided from upper direction. (a)別のオーバーハング部が設けられた穴部の開口を上方から観察した電子顕微鏡写真であり;(b)その断面の電子顕微鏡写真である。(A) The electron micrograph which observed the opening of the hole part in which another overhang part was provided from upper direction; (b) The electron micrograph of the cross section.

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。
<第一実施形態>
図1に示すように、本発明の脂質二分子膜基板1(第一実施形態)は、基板10に穴部20が設けられ、該穴部の開口21が脂質二分子膜30によって覆われ、更に、穴部20の中にハイドロゲル22が充填されたものである。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments.
<First embodiment>
As shown in FIG. 1, the lipid bilayer membrane substrate 1 (first embodiment) of the present invention is provided with a hole 20 in the substrate 10, and an opening 21 of the hole is covered with a lipid bilayer membrane 30. Furthermore, the hole 20 is filled with the hydrogel 22.

本発明において、脂質二分子膜30とハイドロゲル22とは、開口21において接触しても良いし、接触していなくても良い。
接触している場合は、脂質二分子膜30を常に支持することができるので、膜安定性をより向上することができる。また、当該脂質二分子膜を生理的な状態に近づけることができる。
接触していない場合は、脂質二分子膜30とハイドロゲルの上面との間に、適当な溶媒、例えば膜タンパク質31の機能解析に適した緩衝液等の水溶液を配置することが好ましい。接触していない場合であっても、脂質二分子膜30が穴部20の中に落ち込んだ際に、脂質二分子膜30が穴部20の底へ達する前に、その落ち込みを途中で止めることができる。
本発明においては、より好ましい効果が奏される観点から、脂質二分子膜30とハイドロゲル22とは接触していることが好ましい。
In the present invention, the lipid bilayer membrane 30 and the hydrogel 22 may be in contact with each other at the opening 21 or may not be in contact with each other.
When they are in contact with each other, the lipid bilayer membrane 30 can always be supported, so that the membrane stability can be further improved. In addition, the lipid bilayer can be brought close to a physiological state.
When not in contact, an appropriate solvent, for example, an aqueous solution such as a buffer suitable for functional analysis of the membrane protein 31, is preferably disposed between the lipid bilayer membrane 30 and the upper surface of the hydrogel. Even when it is not in contact, when the lipid bilayer 30 falls into the hole 20, before the lipid bilayer 30 reaches the bottom of the hole 20, the drop is stopped halfway. Can do.
In the present invention, it is preferable that the lipid bilayer membrane 30 and the hydrogel 22 are in contact with each other from the viewpoint of more preferable effects.

なお、ハイドロゲル22の上面は、開口21において平坦であっても良いし、平坦ではなく、例えば上方へ膨らんでいても良い。表面張力等の影響でハイドロゲル22の上面が膨らんだり凹んだりする場合もあるが、その程度が軽微であれば問題は無い。   In addition, the upper surface of the hydrogel 22 may be flat in the opening 21, or may not be flat but may bulge upward, for example. Although the upper surface of the hydrogel 22 may swell or dent due to the influence of surface tension or the like, there is no problem if the degree is slight.

本発明において、穴部20の開口21(開口部21)の形状は特に制限されない。
開口21を上面から見た場合の形状としては、例えば円形、楕円形、三角形、矩形、多角形等の形状とすることができる。また、開口21を含む穴部20の断面を見た場合の形状は、例えば、単純な凹状や、図1に示すようなオーバーハング形状(ひさし状)とすることができる。ここで、オーバーハング形状である開口部21をオーバーハング部11aと呼ぶことにする。オーバーハング部11aは、穴部20の開口21において、該開口21を狭める方向に延びるように設けられている。
In the present invention, the shape of the opening 21 (opening 21) of the hole 20 is not particularly limited.
As the shape when the opening 21 is viewed from the upper surface, for example, a shape such as a circle, an ellipse, a triangle, a rectangle, and a polygon can be used. Moreover, the shape when the cross section of the hole 20 including the opening 21 is seen can be, for example, a simple concave shape or an overhang shape (eave shape) as shown in FIG. Here, the opening portion 21 having an overhang shape is referred to as an overhang portion 11a. The overhang portion 11a is provided in the opening 21 of the hole portion 20 so as to extend in a direction in which the opening 21 is narrowed.

本実施形態におけるオーバーハング部11aは、基板10の上面10aに設けられた薄膜層11が、穴部20の開口21を狭めるように、開口21の四隅に張り出すことによって形成されている。この状態を電子顕微鏡で観察した写真を図7に示す。
本実施形態においては、穴部20の四隅(四つの角)にオーバーハング部11aが設けられているが、この形態に限らず、例えば、図8に示すように、開口21の周囲全体から開口21の中心に向けて円形に張り出したオーバーハング部11aとすることもできる。つまり、本発明において、基板10の上方からオーバーハング部11aに囲まれた領域を見た場合の形状としては、例えば円形、楕円形、三角形、矩形、多角形等の形状とすることができる。
In this embodiment, the overhang portion 11 a is formed by the thin film layer 11 provided on the upper surface 10 a of the substrate 10 projecting from the four corners of the opening 21 so as to narrow the opening 21 of the hole portion 20. The photograph which observed this state with the electron microscope is shown in FIG.
In the present embodiment, the overhang portions 11a are provided at the four corners (four corners) of the hole portion 20. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, as shown in FIG. The overhang portion 11 a projecting in a circular shape toward the center of 21 can also be used. That is, in the present invention, the shape of the region surrounded by the overhang portion 11a from above the substrate 10 can be, for example, a shape such as a circle, an ellipse, a triangle, a rectangle, or a polygon.

穴部20の開口21の直径又は開口21を構成する多角形の一辺は、100nm〜10μmとすることが好ましい。
上記範囲の下限値以上とすることにより、脂質二分子膜30内に充分な量の膜タンパク質31を配置することができる。上記範囲の上限値以下とすることにより、脂質二分子膜30が穴部20に落ち込むことを防いで安定に維持する力の一部として、開口21が寄与することができる。
また、穴部20の深さは、脂質二分子膜30が底面に接触しない深さがあれば特に制限されず、開口部直径に応じて設計すればよい。該深さは、例えば0.1μm〜10μmとすることができる。
The diameter of the opening 21 of the hole 20 or one side of the polygon forming the opening 21 is preferably 100 nm to 10 μm.
By setting it to be equal to or higher than the lower limit of the above range, a sufficient amount of membrane protein 31 can be arranged in the lipid bilayer membrane 30. By setting it to the upper limit of the above range or less, the opening 21 can contribute as a part of the force that prevents the lipid bilayer membrane 30 from falling into the hole 20 and maintains it stably.
The depth of the hole 20 is not particularly limited as long as the lipid bilayer 30 does not contact the bottom surface, and may be designed according to the diameter of the opening. The depth can be, for example, 0.1 μm to 10 μm.

基板本体10の材料は特に制限されず、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックなどが挙げられる。また、基板本体10の厚みや形状は用途に応じて適宜調整される。
基板本体10に設けられた穴部20の数は特に限定されず、例えば1〜10,000個とすることができる。
The material of the substrate body 10 is not particularly limited, and examples thereof include silicon, glass, and plastic. Moreover, the thickness and shape of the substrate body 10 are appropriately adjusted according to the application.
The number of holes 20 provided in the substrate body 10 is not particularly limited, and may be, for example, 1 to 10,000.

基板本体10への穴部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。   As a method for forming the hole 20 in the substrate body 10, for example, a fine processing technique such as a photolithography method, an electron beam lithography method, or a dry etching method can be applied.

脂質二分子膜30の脂質分子の種類は、脂質二分子膜(脂質二重膜)を形成できるものであれば特に制限されず、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)、ホスファチジルセリン(PS)、ホスファチジルイノシトール(PI)、ホスファチジルイノシトールホスフェイト(PIP)、ホスファチジン酸(PA)、ホスファチジルグリセロール(PG)、スフィンゴ脂質などが挙げられる。これらの脂質は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。   The type of lipid molecule of the lipid bilayer membrane 30 is not particularly limited as long as it can form a lipid bilayer membrane (lipid bilayer membrane). For example, phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylserine ( PS), phosphatidylinositol (PI), phosphatidylinositol phosphate (PIP), phosphatidic acid (PA), phosphatidylglycerol (PG), sphingolipid and the like. These lipids may be used alone or in combination of two or more.

脂質二分子膜30の形成方法としては、例えば、その直径が10μm以上の巨大脂質ベシクルを基板上で展開する方法が挙げられる。
ベシクルを形成する代表的な手法としては、静置水和法やエレクトロスウェリング法(電解形成法)が例示できる。ベシクルの作製手法は特に限定されないが、巨大ベシクルを作製しやすく、反応時間や反応プロセスが簡易であるという観点から、電解形成法を採用することが好ましい。電解形成法は、酸化インジウムスズ(ITO)などの電極上に、リン脂質を薄膜化した後、交流電場をかけて水溶液中に巨大ベシクルを形成する手法である。サイズの揃ったベシクルを得るためには、ITO基板上に厚さ数十nm〜数μmの均一なリン脂質分子の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。
Examples of the method of forming the lipid bilayer membrane 30 include a method of developing a giant lipid vesicle having a diameter of 10 μm or more on a substrate.
Typical methods for forming vesicles include a static hydration method and an electro-swelling method (electrolytic formation method). The method for producing the vesicle is not particularly limited, but it is preferable to employ the electrolytic forming method from the viewpoint that it is easy to produce a huge vesicle and the reaction time and reaction process are simple. The electrolytic formation method is a method of forming a huge vesicle in an aqueous solution by applying an alternating electric field after forming a thin film of phospholipid on an electrode such as indium tin oxide (ITO). In order to obtain vesicles of uniform size, it is preferable to form a uniform phospholipid molecule film with a thickness of several tens of nm to several μm on the ITO substrate, and the alternating electric field is about several hundred mV to 2V. Application conditions are preferred.

穴部20に充填するハイドロゲル22は、脂質二分子膜30の形成に影響を与えないものであれば特に限定されないが、例えば、アガロースゲルやポリアミノ酸といった高分子の1種類または2種類以上との混合溶液から形成されるものが挙げられる。また、アクリルアミド、N,N’-ジメチルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、N-アクリロイルアミノエトキシエタノール、N-アクリロイルアミノプロパノール、N-メチロールアクリルアミド、N-ビニルピロリドン、ヒドロキシエチルメタクリレート、(メタ)アクリル酸、アリルエキストリン等の単量体の1種類または2種類以上と、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等との多官能性単量体と、を共重合したものをハイドロゲル22として用いることができる。また、前記単量体の誘導体を用いてハイドロゲル22を構成してもよい。   The hydrogel 22 filled in the hole 20 is not particularly limited as long as it does not affect the formation of the lipid bilayer membrane 30. For example, one type or two or more types of polymers such as agarose gel and polyamino acid are used. What is formed from the mixed solution of these is mentioned. Also, acrylamide, N, N′-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, N-acryloylaminoethoxyethanol, N-acryloylaminopropanol, N-methylolacrylamide, N-vinylpyrrolidone, hydroxyethyl methacrylate, (meth) acrylic acid, Hydrogel 22 is obtained by copolymerizing one or more monomers such as allylextrin and a polyfunctional monomer such as methylenebis (meth) acrylamide, polyethylene glycol di (meth) acrylate and the like. Can be used as Moreover, you may comprise the hydrogel 22 using the derivative | guide_body of the said monomer.

前記単量体(モノマー)を重合させてハイドロゲル22とするための重合反応としては、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合などが挙げられる。これらの重合方法は特に限定されないが、例えば重合開始剤の添加が挙げられる。重合開始剤とその重合方法としては、例えば、モノマー水溶液中での過硫酸アンモニウム(以下APS)とN,N,N’,N’−tetramethylethylenediamine(以下TEMED)との混合による方法、azobisisobutronitrile(以下AIBN)などの熱分解による方法、イルガキュア等の光反応性重合開始剤への光照射による方法が挙げられる。また、アガロースゲルの場合は、加熱した溶液を穴部20へ充填し、その後、当該溶液を冷却することによりゲル化させることができる。   Examples of the polymerization reaction for polymerizing the monomer (monomer) to form the hydrogel 22 include radical polymerization, cationic polymerization, and anionic polymerization. These polymerization methods are not particularly limited, and examples thereof include addition of a polymerization initiator. Examples of the polymerization initiator and its polymerization method include, for example, a method of mixing ammonium persulfate (hereinafter referred to as APS) and N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (hereinafter referred to as TEMED) in an aqueous monomer solution, azobisisobutronitrile (hereinafter referred to as AIBN). The method by thermal decomposition, etc., and the method by light irradiation to photoreactive polymerization initiators, such as Irgacure, are mentioned. Moreover, in the case of an agarose gel, it can be made to gelatinize by filling the hole part 20 with the heated solution, and cooling the said solution after that.

穴部20にハイドロゲル22を充填する方法は特に限定されないが、例えば、穴部20の内部にゲル化する前のハイドロゲル前駆体を含む溶液、例えば前記単量体を含む水溶液を充填し、必要に応じて重合開始剤を添加し、その直後に(ゲル化する前に)脂質二分子膜30で該穴部20の開口部21をシールし、穴部20の外部の余剰なハイドロゲル前駆体を含む溶液を、水もしくは電解質水溶液等と置換することにより、穴部20の内部のみで選択的にハイドロゲル22を形成する方法が挙げられる。また、他の方法として、穴部20の外部の余剰なハイドロゲル前駆体を含む溶液を除去せずに、穴部20の内外でハイドロゲル22を形成した後、脂質二分子膜30を損なわないように、穴部20の外部のハイドロゲル22のみを除去する方法も例示できる。   The method for filling the hole 20 with the hydrogel 22 is not particularly limited. For example, the hole 20 is filled with a solution containing a hydrogel precursor before gelation, for example, an aqueous solution containing the monomer, If necessary, a polymerization initiator is added, and immediately after that (before gelation), the opening 21 of the hole 20 is sealed with the lipid bilayer membrane 30, and an excess hydrogel precursor outside the hole 20. A method of selectively forming the hydrogel 22 only inside the hole 20 by replacing the solution containing the body with water or an aqueous electrolyte solution or the like can be mentioned. As another method, the lipid bilayer membrane 30 is not damaged after the hydrogel 22 is formed inside and outside the hole 20 without removing the solution containing the excess hydrogel precursor outside the hole 20. Thus, a method of removing only the hydrogel 22 outside the hole 20 can also be exemplified.

ハイドロゲル22の硬度や含水量は、用途に応じて、例えば機能解析する膜タンパク質31の種類に応じて、適宜調整される。ハイドロゲル22を構成する前駆体の濃度や重合方法の種類を検討することによって、最適な硬度及び含水量のハイドロゲル22とすることができる。例えば、アガロースゲルを充填する場合は、その濃度は0.01wt%〜5.0wt%とすることができる。好適には0.05wt%〜5wt%であり、より好適には0.5wt%〜3wt%である。また、例えば、ポリアクリルアミドゲルを充填する場合は、その濃度は1wt%〜30wt%とすることができる。好適には3wt%〜20wt%であり、より好適には5wt%〜15wt%である。   The hardness and water content of the hydrogel 22 are appropriately adjusted according to the application, for example, according to the type of the membrane protein 31 to be functionally analyzed. By examining the concentration of the precursor constituting the hydrogel 22 and the type of polymerization method, the hydrogel 22 having the optimum hardness and water content can be obtained. For example, when agarose gel is filled, the concentration can be 0.01 wt% to 5.0 wt%. Preferably it is 0.05 wt%-5 wt%, More preferably, it is 0.5 wt%-3 wt%. For example, when a polyacrylamide gel is filled, the concentration can be set to 1 wt% to 30 wt%. It is preferably 3 wt% to 20 wt%, more preferably 5 wt% to 15 wt%.

ハイドロゲル22に含まれる水には、脂質二分子膜30が安定に維持される範囲であれば、pH緩衝剤、各種イオン、酸化防止剤、界面活性剤等が含まれていても良い。膜タンパク質31の機能が最適に発揮されるために必要な成分を含有させることが好ましい。   The water contained in the hydrogel 22 may contain a pH buffer, various ions, an antioxidant, a surfactant and the like as long as the lipid bilayer membrane 30 is stably maintained. It is preferable to contain components necessary for optimal function of the membrane protein 31.

本実施形態においては、穴部20の開口21を覆う脂質二分子膜30に膜タンパク質31が配置されて、脂質二分子膜基板1が膜タンパク質固定化基板1とされている。脂質二分子膜30は外部溶液Lによって覆われている。例えば、外部溶液Lに医薬候補物質等を添加することにより、膜タンパク質31の機能を解析することができる。   In the present embodiment, the membrane protein 31 is disposed on the lipid bilayer membrane 30 covering the opening 21 of the hole 20, and the lipid bilayer membrane substrate 1 is the membrane protein-immobilized substrate 1. The lipid bilayer membrane 30 is covered with the external solution L. For example, by adding a drug candidate substance or the like to the external solution L, the function of the membrane protein 31 can be analyzed.

脂質二分子膜30に、機能測定対象となる膜タンパク質31を再構成する方法は、公知の方法を用いることができ、例えば、ベシクルフュージョン法が挙げられる。具体的には、プロテオリポソームと呼ばれる膜タンパク質を含有するベシクルを、脂質二分子膜上に添加することにより、プロテオリポソームと脂質二分子膜が融合し、膜タンパク質が脂質二分子膜中に再構成される。
脂質二分子膜30に融合する膜タンパク質31は、脂質二分子膜30に保持され、かつ、該脂質二分子膜30を境界に孔の内部と外部のイオン濃度を変化させるものが好ましい。膜タンパク質31としては、例えば、イオンチャネル型受容体が挙げられる。
A known method can be used as a method for reconstituting the membrane protein 31 to be a function measurement target in the lipid bilayer membrane 30, and examples thereof include a vesicle fusion method. Specifically, by adding a vesicle containing a membrane protein called proteoliposome on the lipid bilayer, the proteoliposome and the lipid bilayer are fused, and the membrane protein is reconstituted in the lipid bilayer. Is done.
The membrane protein 31 fused to the lipid bilayer membrane 30 is preferably retained in the lipid bilayer membrane 30 and changes the ion concentration inside and outside the pore with the lipid bilayer membrane 30 as a boundary. Examples of the membrane protein 31 include an ion channel type receptor.

イオンチャネル型受容体としては、例えば、細胞間情報伝達や温度の感受、炎症や痛みに関与するTRP(transient receptor potential)チャネル、細胞間情報伝達や痛みに関与するATP受容体、細胞間情報伝達や情動に関与するセロトニン受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するNMDA受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するAMPA受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するカイニン酸受容体、細胞間情報伝達や抑制性神経伝達に関与するGABA受容体等が挙げられる。   Examples of ion channel receptors include cell-to-cell information transmission and temperature sensing, TRP (transient receptor potential) channels involved in inflammation and pain, cell-to-cell information transmission and pain-related ATP receptors, and cell-to-cell information transmission. Serotonin receptor involved in cell and emotion, NMDA receptor involved in intercellular communication and excitatory neurotransmission, AMPA receptor involved in intercellular communication and excitatory neurotransmission, intercellular communication and excitatory neurotransmission And the kainate receptor involved in the cell, the GABA receptor involved in intercellular signal transmission and inhibitory neurotransmission, and the like.

穴内部および外部に電解質溶液を配置する場合、その電解質溶液は、膜タンパク質31を埋め込んだ脂質二分子膜30が安定に保持されるものが好ましく、例えば、100mM NaCl, 5mM KCl, 2mM CaCl2, 10mM Tris-HCl (pH7.4)などが挙げられる。穴内部と外部の電解質溶液の組成は、同じ組成であってもよく、異なる組成であってもよい。 When the electrolyte solution is arranged inside and outside the hole, the electrolyte solution is preferably one in which the lipid bilayer membrane 30 in which the membrane protein 31 is embedded is stably held. For example, 100 mM NaCl, 5 mM KCl, 2 mM CaCl 2 , Examples include 10 mM Tris-HCl (pH 7.4). The composition of the electrolyte solution inside and outside the hole may be the same composition or different compositions.

ところで、細胞を構成する細胞膜で覆われた細胞質には、細胞の形態を維持するためにアクチンフィラメント、中間径フィラメント、微小管といった細胞骨格分子によって繊維網状構造が形成されている。このため、分子クラウディングと呼ばれる溶媒中の分子の性質が変化するという効果が見られる。この効果によって(細胞骨格分子やその他の細胞内高分子が細胞内に高密度にあることによって)、細胞質内の分子の活量が増大するため、タンパク質の拡散や活性がin vitro中(単なる水溶液中)とは異なることが知られている。そのため、in vivoでのタンパク質の機能をより正確に測定するためには、細胞膜だけでなく細胞質内の環境も模倣された測定系が必要となる。しかし、細胞質内の骨格構造を模倣した状態での、タンパク質の機能測定の例は、従来、ほとんど報告されていない。
本発明が極めて有用である理由の一つは、in vivoに近い状態で膜タンパク質の機能を解析できることである。本発明の脂質二分子膜基板(膜タンパク質固定化基板)において、細胞膜に相当する脂質二分子膜30が、細胞質に相当するハイドロゲル22と接触した前述の構成とすることによって、当該脂質二分子膜30に配置された膜タンパク質31の機能を、in vivoに近い状態で測定することができる。
By the way, in the cytoplasm covered with a cell membrane constituting cells, a fiber network structure is formed by cytoskeleton molecules such as actin filaments, intermediate filaments, and microtubules in order to maintain the cell morphology. For this reason, the effect that the property of the molecule | numerator in the solvent called molecular crowding changes is seen. This effect (due to the high density of cytoskeletal molecules and other intracellular macromolecules in the cell) increases the activity of the molecules in the cytoplasm, thus allowing the diffusion and activity of proteins to occur in vitro (simple aqueous solutions It is known that it is different from the middle). Therefore, in order to more accurately measure protein functions in vivo, a measurement system that mimics not only the cell membrane but also the environment in the cytoplasm is required. However, few examples of protein function measurement in the state of mimicking the skeletal structure in the cytoplasm have been reported so far.
One of the reasons why the present invention is extremely useful is that the function of the membrane protein can be analyzed in a state close to in vivo. In the lipid bilayer membrane substrate (membrane protein-immobilized substrate) of the present invention, the lipid bilayer membrane 30 corresponding to the cell membrane is in contact with the hydrogel 22 corresponding to the cytoplasm. The function of the membrane protein 31 arranged on the membrane 30 can be measured in a state close to in vivo.

<第二実施形態>
図2に示すように、本発明の脂質二分子膜基板2(第二実施形態)は、第一実施形態の構成に加えて、ハイドロゲル22の内部に蛍光分子23(蛍光物質)が含まれている。
この特徴部以外は、前述した第一実施形態の脂質二分子膜基板1(膜タンパク質固定化基板1)と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
以下に、第二実施形態の脂質二分子膜2が、第一実施形態の脂質二分子膜基板1と相違する点を説明する。
<Second embodiment>
As shown in FIG. 2, the lipid bilayer membrane substrate 2 (second embodiment) of the present invention includes a fluorescent molecule 23 (fluorescent substance) inside the hydrogel 22 in addition to the configuration of the first embodiment. ing.
Except for this feature, it is the same as the lipid bilayer membrane substrate 1 (membrane protein-immobilized substrate 1) of the first embodiment described above.
Below, the point which the lipid bilayer membrane 2 of 2nd embodiment differs from the lipid bilayer membrane substrate 1 of 1st embodiment is demonstrated.

蛍光分子23は、穴部20の内部の状態変化が起こった場合に蛍光を発する水溶性のものが好ましく、穴部20の内部のイオン濃度の変化に伴い蛍光強度が変化するものがより好ましい。具体的には、例えば、カルシウムイオン濃度変化を検出可能なFluo4、Fura-2、Fluo-3を例示できる。
好適な蛍光分子を用いることによって、例えば脂質二分子膜30にイオン透過性の膜タンパク質31を配置して、その膜タンパク質を介して穴部20の内外へイオンが流入又は流出した際、ハイドロゲル22内の蛍光分子23の蛍光強度が変化したことを蛍光顕微鏡等によって検出することができる。このような検出系は、膜タンパク質31の機能解析において有用である。
The fluorescent molecule 23 is preferably a water-soluble molecule that emits fluorescence when a change in the state of the inside of the hole portion 20 occurs, and more preferably, the fluorescent molecule 23 changes in fluorescence intensity as the ion concentration inside the hole portion 20 changes. Specifically, for example, Fluo4, Fura-2, and Fluo-3 capable of detecting a change in calcium ion concentration can be exemplified.
By using a suitable fluorescent molecule, for example, when an ion-permeable membrane protein 31 is arranged in the lipid bilayer membrane 30 and ions flow into or out of the hole 20 through the membrane protein, the hydrogel It can be detected by a fluorescence microscope or the like that the fluorescence intensity of the fluorescent molecules 23 in 22 has changed. Such a detection system is useful in the functional analysis of the membrane protein 31.

<第三実施形態>
図3に示すように、本発明の脂質二分子膜基板3(第三実施形態)は、第一実施形態の構成に加えて、穴部20の中に電極40を備え、穴部20の外部溶液L中に対向電極41を備えている。
この特徴部以外は、前述した第一実施形態の脂質二分子膜基板1(膜タンパク質固定化基板1)と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
以下に、第三実施形態の脂質二分子膜3が、第一実施形態の脂質二分子膜基板1と相違する点を説明する。
<Third embodiment>
As shown in FIG. 3, the lipid bilayer membrane substrate 3 (third embodiment) of the present invention includes an electrode 40 in the hole 20 in addition to the configuration of the first embodiment, and the outside of the hole 20. A counter electrode 41 is provided in the solution L.
Except for this feature, it is the same as the lipid bilayer membrane substrate 1 (membrane protein-immobilized substrate 1) of the first embodiment described above.
Below, the point which the lipid bilayer membrane 3 of 3rd embodiment differs from the lipid bilayer membrane substrate 1 of 1st embodiment is demonstrated.

第三実施形態の脂質二分子膜基板3は、電気生理的手法を用いて膜タンパク質31の機能測定を行うのに好適な膜タンパク質固定化基板3としての態様である。
膜タンパク質31の機能測定に際しては、穴部20の外部溶液Lに対向電極41を配置することが好ましい。電極40および対向電極41は、パッチクランプ測定装置に接続して使用することが好ましい。
例えば、膜タンパク質31としてイオンチャンネル型タンパク質を配置した場合には、イオンチャンネル型タンパク質を透過したイオン電流を電気計測計で計測することにより、膜タンパク質31の機能測定を行うことができる。
The lipid bilayer membrane substrate 3 according to the third embodiment is an embodiment as a membrane protein-immobilized substrate 3 suitable for measuring the function of the membrane protein 31 using an electrophysiological technique.
In measuring the function of the membrane protein 31, it is preferable to dispose the counter electrode 41 in the external solution L in the hole 20. The electrode 40 and the counter electrode 41 are preferably used by being connected to a patch clamp measuring device.
For example, when an ion channel protein is arranged as the membrane protein 31, the function of the membrane protein 31 can be measured by measuring an ionic current that has passed through the ion channel protein with an electric meter.

電極40の配置方法としては、例えば、脂質二分子膜基板3の製造時に、スパッタリング等の成膜法によって金属層を形成し、エッチング等により該金属層を適宜パターニングして、形成した電極を絶縁層で被覆することによって、穴部20に埋め込んで配置することができる。ここで、電極40を基板本体10に埋め込んだ構成とする場合、基板本体10は絶縁性であることが必要である。この場合、基板本体10の材料としては、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、レジスト膜等を用いることができる。
電極40の材料としては、銀/塩化銀や、金、白金などが例示できる。
As a method for arranging the electrode 40, for example, when the lipid bilayer membrane substrate 3 is manufactured, a metal layer is formed by a film forming method such as sputtering, and the metal layer is appropriately patterned by etching or the like to insulate the formed electrode. By covering with a layer, the holes 20 can be embedded and arranged. Here, when the electrode 40 is embedded in the substrate body 10, the substrate body 10 needs to be insulative. In this case, as the material of the substrate body 10, silicon oxide, silicon nitride, alumina, tantalum oxide, a resist film, or the like can be used.
Examples of the material of the electrode 40 include silver / silver chloride, gold, and platinum.

<脂質二分子膜基板の製造方法>
本発明の脂質二分子膜基板を製造する好適な方法を図1を参照して説明する。
その製造方法としては、充填工程、脂質二分子膜形成工程、及びゲル化工程をこの順で行う方法が好ましい。なお、本発明の趣旨を逸脱しない限り、ここで挙げた3つの工程以外の、他の工程を追加しても良い。
<Method for producing lipid bilayer membrane substrate>
A preferred method for producing the lipid bilayer substrate of the present invention will be described with reference to FIG.
As the production method, a method of performing a filling step, a lipid bilayer formation step, and a gelation step in this order is preferable. In addition, as long as it does not deviate from the meaning of this invention, you may add another process other than the three processes mentioned here.

[充填工程]
充填工程は、基板10の上面10aにハイドロゲル22の前駆体を含む溶液を注いで、基板の上面10aに設けられた穴部20の中に前記溶液を充填する工程である。
ハイドロゲル22の前駆体は前述の重合前のモノマー等である。その前駆体を溶解又は分散させる溶媒は特に制限されず、水系溶媒が好ましい。前駆体の濃度は、ハイドロゲル22の硬度及び含水量に応じて適宜調整される。
基板10の上面10aに注ぐ前記溶液の量は、穴部20を充填できる量であれば特に制限されないが、上面10aの上方にも溢れさせることができる量、すなわち上面10aの上方に当該溶液が溜まる状態にしうる量を注ぐことが好ましい。
基板10の上面10aに前記溶液を注ぐ方法は特に制限されず、ピペット等で上面10aに前記溶液を滴下した後、必要に応じて当該基板および溶液を超音波処理又は真空処理等することによって、穴部20から気泡を排出させて、穴部20に当該溶液を充填することが可能である。
[Filling process]
The filling step is a step of pouring a solution containing the precursor of the hydrogel 22 on the upper surface 10a of the substrate 10 and filling the hole 20 provided in the upper surface 10a of the substrate with the solution.
The precursor of the hydrogel 22 is the monomer before polymerization as described above. The solvent for dissolving or dispersing the precursor is not particularly limited, and an aqueous solvent is preferable. The concentration of the precursor is appropriately adjusted according to the hardness and water content of the hydrogel 22.
The amount of the solution poured onto the upper surface 10a of the substrate 10 is not particularly limited as long as the hole 20 can be filled, but the amount that can overflow the upper surface 10a, that is, the solution above the upper surface 10a. It is preferable to pour an amount that can be accumulated.
The method for pouring the solution onto the upper surface 10a of the substrate 10 is not particularly limited, and after dropping the solution onto the upper surface 10a with a pipette or the like, by subjecting the substrate and the solution to ultrasonic treatment or vacuum treatment as necessary, It is possible to discharge bubbles from the hole 20 and fill the hole 20 with the solution.

[脂質二分子膜形成工程]
脂質二分子膜工程は、基板10の上方にある前記溶液に巨大ベシクルを添加し、前記巨大ベシクルを基板10の上面10a又は薄膜層11の上面に沈降させ、穴部20の近傍で前記巨大ベシクルを展開し、穴部20の開口21を脂質二分子膜30で覆う工程である。
巨大ベシクルは、前述のとおり公知の方法で調製したものを使用できる。巨大ベシクルの大きさ(直径)は、開口21よりも充分に大きいものであることが好ましく、例えば10μm以上とすることができる。例えば、10μm〜100μmの大きさの巨大ベシクルを使用することができるが、この大きさの範囲に限定されず、他の大きさのものを使用しても構わない。
巨大ベシクルを基板10の上面の上方にある前記溶液に添加する方法は特に制限されず、例えば、巨大ベシクルを含むベシクル分散液を調製して、これを添加する方法が挙げられる。
ベシクル分散液における巨大ベシクルの濃度の目安としては、添加した巨大ベシクルが、基板10の上面10aの広い領域、例えば上面10aの80%以上の領域、を占有して拡がる程度の濃度であることが好ましい。例えば、0.1mM〜10mMの濃度で使用することができるが、この濃度範囲に限定されず、他の濃度のものを使用しても構わない。
[Lipid bilayer formation process]
In the lipid bilayer process, a giant vesicle is added to the solution above the substrate 10, the giant vesicle is allowed to settle on the upper surface 10 a of the substrate 10 or the upper surface of the thin film layer 11, and the giant vesicle is near the hole 20. And the opening 21 of the hole 20 is covered with the lipid bilayer membrane 30.
As the giant vesicle, those prepared by a known method as described above can be used. The size (diameter) of the giant vesicle is preferably sufficiently larger than the opening 21 and can be, for example, 10 μm or more. For example, a giant vesicle having a size of 10 μm to 100 μm can be used, but the size is not limited to this range, and other sizes may be used.
The method for adding the giant vesicle to the solution above the upper surface of the substrate 10 is not particularly limited, and examples thereof include a method of preparing a vesicle dispersion containing the giant vesicle and adding it.
As a standard of the concentration of the giant vesicle in the vesicle dispersion, the concentration of the giant vesicle added is such that it occupies a wide area of the upper surface 10a of the substrate 10, for example, 80% or more of the upper surface 10a. preferable. For example, it can be used at a concentration of 0.1 mM to 10 mM, but is not limited to this concentration range, and other concentrations may be used.

脂質二分子膜30を歩留まり良く形成する観点から、本発明の製造方法において、穴部20の開口21に該開口を狭める方向に延びるオーバーハング部11aが設けられた基板10を用いることが好ましい。
オーバーハング部11aがあると、未だゲル化していない溶液が充填された穴部20の開口21を脂質二分子膜30で覆う際に、当該脂質二分子膜30が穴部20の中に落ち込むことを抑制できる。
From the viewpoint of forming the lipid bilayer membrane 30 with good yield, it is preferable to use the substrate 10 in which the overhang portion 11a extending in the direction of narrowing the opening is provided in the opening 21 of the hole portion 20 in the manufacturing method of the present invention.
When the overhang portion 11a is present, the lipid bilayer 30 falls into the hole 20 when the lipid bilayer 30 covers the opening 21 of the hole 20 filled with the solution that has not yet been gelled. Can be suppressed.

[ゲル化工程]
ゲル化工程は、前記溶液中のハイドロゲル前駆体をゲル化させてハイドロゲルを形成する工程である。
前駆体を重合させる方法は、前述のとおりである。充填工程の後、ハイドロゲル前駆体を含む溶液が穴部20の外部にある場合、これを除去して、穴部20の内部のみでハイドロゲル前駆体をゲル化させても良いし、または、穴部20の外部にあるハイドロゲル前駆体を含む溶液を除去せずに、穴部20の内外でハイドロゲル前駆体をゲル化させても良い。前者の場合、穴部20の外部溶液を例えば生理的塩類溶液等で置換してからゲル化する方法が挙げられる。後者の場合、穴部20の上方でゲル化したハイドロゲルを、適当な手段例えば脂質二分子膜を損なわないようにゆっくりと剥がす等の方法により除去することができる。脂質二分子膜30が空気中に曝された状態になると、脂質二分子膜30の構造や機能が損なわれることがあるので、ハイドロゲルの除去は生理的塩類溶液等の適当な外部溶液Lに覆われた状態で行うのが好ましい。
[Gelling process]
The gelation step is a step of forming a hydrogel by gelling the hydrogel precursor in the solution.
The method for polymerizing the precursor is as described above. After the filling step, when the solution containing the hydrogel precursor is outside the hole 20, it may be removed and the hydrogel precursor may be gelled only inside the hole 20, or The hydrogel precursor may be gelled inside and outside the hole 20 without removing the solution containing the hydrogel precursor outside the hole 20. In the former case, there is a method of gelling after replacing the external solution of the hole 20 with, for example, a physiological salt solution or the like. In the latter case, the hydrogel that has gelled above the hole 20 can be removed by an appropriate means, for example, a method such as slowly peeling so as not to damage the lipid bilayer membrane. When the lipid bilayer membrane 30 is exposed to the air, the structure and function of the lipid bilayer membrane 30 may be impaired. Therefore, the hydrogel can be removed with an appropriate external solution L such as a physiological salt solution. It is preferable to carry out in a covered state.

<ハイドロゲル基板>
本発明にかかるハイドロゲル基板は、前述の本発明にかかる脂質二分子膜基板を製造するために用いられるものであり、基板10に穴部20が設けられ、該穴部20の中にハイドロゲル22が充填されているものである。
ハイドロゲル基板を製造する方法は、前述の脂質二分子膜基板を製造する方法における充填工程と同様に行う方法が例示できる。
穴部20が設けられた基板10を準備して、その上面10aにハイドロゲル前駆体を含む溶液を注ぎ、穴部20内に当該溶液を充填し、その後ゲル化させれば良い。穴部20の
外部でゲル化したハイドロゲルは、ヘラで擦り落とすか、単に剥がす方法で除去できる。この際、穴部20の中のハイドロゲルは、穴部20によって保持されているので、除去せずに残すことができる。
また、ハイドロゲル基板を製造する他の方法として、前述の脂質二分子膜基板を作製した後、基板上の脂質二分子膜を界面活性剤等を用いて除去することにより製造する方法も例示できる。
いずれの方法で製造したハイドロゲル基板であっても、ユーザーが使用時に脂質二分子膜で穴部の開口を覆う処理を行うことによって、脂質二分子膜基板(膜タンパク質固定化基板)を作製することができる。
<Hydrogel substrate>
The hydrogel substrate according to the present invention is used for producing the above-described lipid bilayer membrane substrate according to the present invention. A hole 20 is provided in the substrate 10, and the hydrogel is formed in the hole 20. 22 is filled.
Examples of the method for producing a hydrogel substrate include the method performed in the same manner as the filling step in the method for producing a lipid bilayer membrane substrate described above.
The substrate 10 provided with the hole 20 is prepared, a solution containing a hydrogel precursor is poured onto the upper surface 10a, the solution is filled into the hole 20, and then the gel is formed. The hydrogel gelled outside the hole 20 can be removed by scraping with a spatula or simply peeling off. At this time, since the hydrogel in the hole 20 is held by the hole 20, it can be left without being removed.
Further, as another method for producing a hydrogel substrate, a method of producing the aforementioned lipid bilayer membrane substrate and then removing the lipid bilayer membrane on the substrate using a surfactant or the like can also be exemplified. .
Regardless of the hydrogel substrate manufactured by either method, the lipid bilayer substrate (membrane protein-immobilized substrate) is produced by the user performing a process of covering the opening of the hole with the lipid bilayer membrane at the time of use. be able to.

[実施例1]
図2で模式的に表された第二実施形態の脂質二分子膜基板2(膜タンパク質固定化基板2)の作製例を具体的に説明する。
<穴部の形成>
基板本体10には、シリコン基板を用いた。基板本体10の上面10a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。さらに、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21(4μm×4μm)を持つ穴部20を形成した。深さは、1μmとした。さらに、水酸化カリウム溶液(10重量%)により、シリコン酸化膜層11の下の基板本体10を、選択的にエッチングすることにより、穴部20の開口部21の四隅にオーバーハング部11aを形成した。
[Example 1]
A production example of the lipid bilayer membrane substrate 2 (membrane protein-immobilized substrate 2) of the second embodiment schematically represented in FIG. 2 will be specifically described.
<Formation of hole>
A silicon substrate was used as the substrate body 10. A silicon oxide film layer (thin film layer) 11 having a thickness of 120 nm was formed on the upper surface 10a of the substrate body 10 by a thermal oxidation method. Further, a hole 20 having a circular opening 21 (4 μm × 4 μm) was formed by using a photolithography method and a dry etching method. The depth was 1 μm. Further, the substrate body 10 under the silicon oxide film layer 11 is selectively etched with a potassium hydroxide solution (10 wt%) to form overhang portions 11 a at the four corners of the opening 21 of the hole 20. did.

<巨大ベシクルの準備>
脂質二分子膜30は以下のようにして形成した。ジフィタニルホスファチジルコリン(DPhPC)(80モル%)とコレステロール(20モル%)の混合クロロホルム溶液(濃度2.5mM)を調製した。続いて、酸化インジウムスズ(ITO)基板(SiO上に膜厚100nmのITOが薄膜化された基板、サイズ40×40mm、50〜100Ω/cm)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、均一なリン脂質薄膜をITO基板上に形成した。その上に、窓部を有するシリコーンゴム(外寸30×30mm、厚さ1mmのシリコーンゴムを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200mMのスクロース水溶液を400μL滴下した。さらに、その上部にITO基板を配置し、シリコーンゴム窓部にある溶液をITO基板で挟み込んで密閉した。続いて、ITO基板にクリップ電極を接合し、60℃のホットプレート上で、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ベシクルを作製した。
<Preparation of huge vesicle>
The lipid bilayer membrane 30 was formed as follows. A mixed chloroform solution (concentration 2.5 mM) of diphytanyl phosphatidylcholine (DPhPC) (80 mol%) and cholesterol (20 mol%) was prepared. Subsequently, 200 μL of the chloroform solution was uniformly applied on an indium tin oxide (ITO) substrate (a substrate in which ITO having a thickness of 100 nm was thinned on SiO 2 , size 40 × 40 mm, 50 to 100 Ω / cm). . The substrate was dried under reduced pressure at room temperature for 2 hours to completely remove the chloroform solvent, thereby forming a uniform phospholipid thin film on the ITO substrate. On top of that, a silicone rubber having a window portion (having a window portion in which a silicone rubber having an outer dimension of 30 × 30 mm and a thickness of 1 mm is cut in a size of 20 × 20 mm) is closely attached, and 200 mM of the window portion is placed. 400 μL of a sucrose aqueous solution was dropped. Further, an ITO substrate was placed on the top, and the solution in the silicone rubber window was sandwiched between the ITO substrates and sealed. Subsequently, a clip electrode was joined to the ITO substrate, and an alternating electric field (sine wave, 1 V, 10 Hz) was applied on a hot plate at 60 ° C. for 2 hours, thereby producing a huge vesicle by an electric field forming method.

<ハイドロゲルの形成>
ハイドロゲル22を構成する未重合のモノマーとして7%アクリルアミドと、アクリルアミドに対して1/19重量%のビスアクリルアミドとを含むモノマー水溶液と、蛍光分子23(100μMカルセイン)と、塩化ナトリウムを含む水溶液との混合水溶液に、APSとTEMEDを添加した充填用の水溶液を準備した。この充填用水溶液を基板10の上面10aに滴下し、穴内部に充填すると共に、上面10aの上方にも充分に溢れさせた。このモノマー充填の直後に、基板本体10の上面10aに溢れさせた充填用水溶液中に巨大ベシクルを添加し、巨大ベシクルを沈降させて、上面10aのシリコン酸化膜層11上に巨大ベシクルを展開することにより脂質二分子膜30を形成した。その後、更に15分以上静置し、モノマーがゲル化したハイドロゲル22が形成された後、塩化ナトリウムを含む200mMグルコース溶液を十分な量加え、脂質二分子膜30上の余剰なハイドロゲルを取り除いた。
上記方法により、図2に示す穴部20を有する、脂質二分子膜基板を作製した。なお、脂質二分子膜30に膜タンパク質31を配置することによって、本発明にかかる脂質二分子膜を膜タンパク質固定化基板とすることができる。膜タンパク質31を脂質二分子膜30へ配置する方法は、公知の方法を適用できる。
<Formation of hydrogel>
A monomer aqueous solution containing 7% acrylamide as an unpolymerized monomer constituting hydrogel 22 and 1/19% by weight of bisacrylamide with respect to acrylamide, fluorescent molecule 23 (100 μM calcein), and an aqueous solution containing sodium chloride, An aqueous solution for filling was prepared by adding APS and TEMED to the mixed aqueous solution. This filling aqueous solution was dropped on the upper surface 10a of the substrate 10 to fill the inside of the hole and sufficiently overflowed above the upper surface 10a. Immediately after the monomer filling, the giant vesicle is added to the filling aqueous solution overflowing the upper surface 10a of the substrate body 10, the giant vesicle is allowed to settle, and the giant vesicle is developed on the silicon oxide film layer 11 on the upper face 10a. Thus, the lipid bilayer membrane 30 was formed. Thereafter, the mixture is allowed to stand for 15 minutes or more to form a hydrogel 22 in which the monomer has gelled, and then a sufficient amount of 200 mM glucose solution containing sodium chloride is added to remove excess hydrogel on the lipid bilayer membrane 30. It was.
By the above method, a lipid bilayer membrane substrate having the hole 20 shown in FIG. 2 was produced. In addition, by arranging the membrane protein 31 on the lipid bilayer membrane 30, the lipid bilayer membrane according to the present invention can be used as a membrane protein-immobilized substrate. As a method of arranging the membrane protein 31 on the lipid bilayer membrane 30, a known method can be applied.

図4に,穴部20の内部に蛍光分子23としてカルセインを、ハイドロゲル22としてアクリルアミドを充填し、赤色の蛍光を示すローダミンを含む脂質二分子膜30を穴開口部に展開した場合の蛍光観察結果を示す。穴部20にハイドロゲル22が充填されている穴部20aからは、カルセイン由来の緑色蛍光が観察されることから、ハイドロゲル内では蛍光分子23が穴内部から外部溶液に拡散せずに、安定に閉じ込められていることが分かる。また、穴部20bでは、緑色と赤色の蛍光が重なって、黄色の蛍光が観察されることから、穴内部にハイドロゲル22が充填され、その開口部は脂質二分子膜30が覆っていることが分かる。
上記の方法で作製した基板に、膜タンパク質を配置することで、膜タンパク質固定化基板1を作製することができる。
FIG. 4 shows fluorescence observation when calcein is filled as the fluorescent molecule 23 inside the hole 20 and acrylamide is filled as the hydrogel 22 and the lipid bilayer 30 containing rhodamine that exhibits red fluorescence is developed in the hole opening. Results are shown. From the hole 20a in which the hydrogel 22 is filled in the hole 20, since green fluorescence derived from calcein is observed, the fluorescent molecule 23 does not diffuse from the inside of the hole into the external solution and is stable in the hydrogel. You can see that it is trapped in Moreover, in the hole 20b, since green and red fluorescence overlap and yellow fluorescence is observed, the inside of the hole is filled with the hydrogel 22, and the opening is covered with the lipid bilayer membrane 30. I understand.
The membrane protein-immobilized substrate 1 can be produced by arranging the membrane protein on the substrate produced by the above method.

[実施例2]
次に、別の第二実施形態の脂質二分子膜基板2(膜タンパク質固定化基板2)の作製例を具体的に説明する。
実施例2において、膜タンパク質31であるα−ヘモリシンを脂質二分子膜に配した膜タンパク質固定化基板2を用いる。この基板2は穴内部にイオンの流入により蛍光強度が変化する蛍光分子23を保持している。これらの特徴部以外は、前述した実施例1と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
以下に、実施例2で用いる膜タンパク質固定化基板2が実施例1の膜タンパク質固定化基板2と相違する点を説明する。
穴部20の内部には、カルシウムイオンの濃度によって蛍光強度が変化する蛍光色素Fluo4を最終濃度で10μMとなるように含む、アクリルアミドからなるハイドロゲル22を充填し、脂質二分子膜30を穴開口部21に展開し、脂質二分子膜基板2を得た。
得られた脂質二分子膜基板2を用いて、脂質二分子膜30にα−ヘモリシンを配することによって、カルシウムイオンが透過する膜貫通チャネル(膜タンパク質31)を形成させた膜タンパク質固定化基板2が得られる。これを用いて、穴部20の外部水溶液を1mM塩化カルシウム水溶液に置換したときのFluo4の蛍光強度変化を測定することにより、α−ヘモリシンを介したカルシウムイオンの膜透過を定量的に検出することができる。
[Example 2]
Next, a production example of the lipid bilayer membrane substrate 2 (membrane protein-immobilized substrate 2) of another second embodiment will be specifically described.
In Example 2, a membrane protein-immobilized substrate 2 in which α-hemolysin that is a membrane protein 31 is arranged in a lipid bilayer membrane is used. This substrate 2 holds fluorescent molecules 23 whose fluorescence intensity changes due to the inflow of ions inside the hole. Since these features are the same as those of the first embodiment described above, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Hereinafter, the difference between the membrane protein-immobilized substrate 2 used in Example 2 and the membrane protein-immobilized substrate 2 of Example 1 will be described.
The inside of the hole 20 is filled with a hydrogel 22 made of acrylamide containing a fluorescent dye Fluo4 whose fluorescence intensity varies with the concentration of calcium ions so that the final concentration is 10 μM, and the lipid bilayer membrane 30 is opened in the hole. Expanded to the part 21, the lipid bilayer membrane substrate 2 was obtained.
A membrane protein-immobilized substrate in which a transmembrane channel (membrane protein 31) through which calcium ions permeate is formed by arranging α-hemolysin on the lipid bilayer membrane 30 using the obtained lipid bilayer membrane substrate 2 2 is obtained. By using this, the permeation of calcium ions through α-hemolysin is quantitatively detected by measuring the change in the fluorescence intensity of Fluo4 when the external aqueous solution in the hole 20 is replaced with a 1 mM calcium chloride aqueous solution. Can do.

[実施例3]
次に、図3で模式的に表された第三実施形態の脂質二分子膜基板3(膜タンパク質固定化基板3)の作製例を具体的に説明する。
実施例3において、イオンの流入を電気生理的手法によって検出するために、穴部20の内部および外部に電極40,41を有する膜タンパク質固定化基板3を用いる。この特徴部以外は、前述した実施例1及び実施例2と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
[Example 3]
Next, a production example of the lipid bilayer membrane substrate 3 (membrane protein-immobilized substrate 3) of the third embodiment schematically represented in FIG. 3 will be described in detail.
In Example 3, in order to detect the inflow of ions by an electrophysiological technique, the membrane protein-immobilized substrate 3 having the electrodes 40 and 41 inside and outside the hole 20 is used. Except for this feature, the second embodiment is the same as the first embodiment and the second embodiment described above.

以下に、実施例3で用いる膜タンパク質固定化基板3が実施例1及び実施例2の膜タンパク質固定化基板と相違する点を説明する。
まず、厚さ200nmの熱酸化膜からなる絶縁層で被覆されたSiウエハーの上に、チタン、金、白金の順に金属層を堆積してフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、厚さ約60nmの電極層40(電極40)を形成した。この電極層40は、十分に大きなパッド部(300nm四方)に接続され、電気生理測定装置へ接続することが可能となっている。
つぎに、電極層40を形成したSiウエハーの上に、絶縁層としてシリコン窒化膜をプラズマCVD法により1μm堆積した。この絶縁層の上に、オーバーハング部が形成される薄膜層11(オーバーハング形状形成層11)として、シリコン酸化膜をスパッタ法を用いて、200nm堆積した。
このように形成した基板本体10に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により穴部20および開口部21を形成した。この穴部形成のエッチングは、電極層40に届くまで行った。
このドライエッチングの過程で、シリコン酸化膜(オーバーハング形状形成層11)とシリコン窒化膜(基板本体10)の間の選択性を利用することで、オーバーハング部11aを形成した。
穴部20および開口部21を形成した後に、レジスト膜を洗浄・除去することで、電極40を穴部20に備えた基板を得た。
Below, the point which the membrane protein fixed board | substrate 3 used in Example 3 differs from the membrane protein fixed board | substrate of Example 1 and Example 2 is demonstrated.
First, on a Si wafer covered with an insulating layer made of a thermal oxide film having a thickness of 200 nm, a metal layer is deposited in the order of titanium, gold, and platinum and patterned by a photolithography method to obtain a thickness of about 60 nm. Electrode layer 40 (electrode 40) was formed. The electrode layer 40 is connected to a sufficiently large pad portion (300 nm square), and can be connected to an electrophysiological measurement device.
Next, 1 μm of a silicon nitride film was deposited as an insulating layer on the Si wafer on which the electrode layer 40 was formed by a plasma CVD method. On this insulating layer, as a thin film layer 11 (overhang shape forming layer 11) on which an overhang portion is formed, a silicon oxide film was deposited by sputtering to a thickness of 200 nm.
The hole 20 and the opening 21 were formed in the substrate body 10 thus formed by photolithography and dry etching. The etching for forming the hole was performed until it reached the electrode layer 40.
In the process of this dry etching, the overhang portion 11a was formed by utilizing the selectivity between the silicon oxide film (overhang shape forming layer 11) and the silicon nitride film (substrate body 10).
After the hole 20 and the opening 21 were formed, the resist film was washed and removed to obtain a substrate having the electrode 40 in the hole 20.

この実施形態において、穴部20と電極40の個数比は、1:1とすることが望ましい。1つの電極40に対して複数の穴部20を設けてもよいが、この構成の場合、当該1つの電極40で測定する際に、全ての穴部20を脂質二分子膜30で覆う必要があるため、測定準備や測定条件が煩雑となる。よって、一つの電極40には、一つの穴部20を形成することが望ましい。   In this embodiment, the number ratio between the hole 20 and the electrode 40 is preferably 1: 1. A plurality of holes 20 may be provided for one electrode 40, but in this configuration, it is necessary to cover all the holes 20 with the lipid bilayer membrane 30 when measuring with the one electrode 40. Therefore, measurement preparation and measurement conditions are complicated. Therefore, it is desirable to form one hole 20 in one electrode 40.

このようにして形成した、電極40を穴部20に備えた基板の上に、前述した実施例1の場合と同様に、ハイドロゲル22を充填し、巨大脂質膜ベシクルを展開することにより、穴部20の開口部21を脂質二分子膜30で覆う。さらに実施例2と同様に、脂質二分子膜30に膜タンパク質31としてα−ヘモリシンを配置し、電極40と対向電極41の間に電圧を印加した時にその間に流れる電流を計測することで,α−ヘモリシンを介したイオンの膜透過を定量的に検出することができる.   In the same manner as in Example 1 described above, the hydrogel 22 was filled on the substrate provided with the electrode 40 in the hole portion 20 formed in this way, and the giant lipid membrane vesicle was developed, thereby providing a hole. The opening part 21 of the part 20 is covered with a lipid bilayer membrane 30. Further, as in Example 2, α-hemolysin is arranged as a membrane protein 31 on the lipid bilayer membrane 30, and when a voltage is applied between the electrode 40 and the counter electrode 41, the current flowing between them is measured. -Quantitative detection of ion permeation through hemolysin.

[比較例1]
ハイドロゲル22を穴内20の内部に備えていないこと以外は、実施例1と同じである脂質二分子膜基板を作製した。図5において、この基板の上面の蛍光像(a)と、基板断面の模式図(c)を示す。
なお、実施例1の作製法と異なる主な点は、モノマーを含まず、蛍光分子を含む水溶液Qを基板の上面に滴下して、穴部20に充填した点である。巨大ベシクルを用いて開口部21を脂質二分子膜30で覆った後、穴外部の蛍光分子を含む水溶液Qを適当な水溶液で置換して、穴外部の蛍光分子を除く点は、実施例1と同様である。
[Comparative Example 1]
A lipid bilayer membrane substrate identical to that of Example 1 was prepared except that the hydrogel 22 was not provided inside the hole 20. FIG. 5 shows a fluorescent image (a) on the upper surface of the substrate and a schematic diagram (c) of a cross section of the substrate.
The main point different from the manufacturing method of Example 1 is that an aqueous solution Q containing no fluorescent molecules and containing fluorescent molecules is dropped onto the upper surface of the substrate to fill the holes 20. Example 1 is that the opening 21 is covered with a lipid bilayer 30 using a giant vesicle, and then the aqueous solution Q containing fluorescent molecules outside the hole is replaced with an appropriate aqueous solution to remove the fluorescent molecules outside the hole. It is the same.

<浸透圧変化による膜強度の評価>
比較例1の脂質二分子膜基板を用いて、浸透圧変化を起こした場合の膜の状態を調べることにより、膜強度を評価した。この結果を図5を参照して説明する。
図5(a)は穴内外の浸透圧が同じである場合の、基板上面の蛍光像である。図5(b)は穴内部のイオン濃度が200mMであり、穴外部のイオン濃度が600mMである場合の、基板上面の蛍光像である。図5(c)は図5(a)の基板断面の模式図であり、図5(d)は図5(b)の基板断面の模式図である。
<Evaluation of membrane strength by osmotic pressure change>
Using the lipid bilayer membrane substrate of Comparative Example 1, the membrane strength was evaluated by examining the membrane state when an osmotic pressure change occurred. This result will be described with reference to FIG.
FIG. 5 (a) is a fluorescence image on the upper surface of the substrate when the osmotic pressure inside and outside the hole is the same. FIG. 5B is a fluorescence image on the upper surface of the substrate when the ion concentration inside the hole is 200 mM and the ion concentration outside the hole is 600 mM. FIG. 5C is a schematic diagram of the substrate cross section of FIG. 5A, and FIG. 5D is a schematic diagram of the substrate cross section of FIG. 5B.

穴外部が穴内部に比較して浸透圧が高くなった場合、水は穴内部から外部に向かって流出するため、脂質二分子膜を穴内部に引き込む力が生じる。
図5は、この結果を表したものである。当初、複数の穴部を脂質二分子膜がシールしていたので、封入された蛍光分子からの発光が見られていた(図5(a))。しかし、浸透圧を変化させた後では、多くの蛍光強度が観測されなくなった。浸透圧変化に伴う力により、脂質二分子膜が穴の内部に落ち込んだり、破れたりしたためである。部分的に穴の内部に落ち込むことにより、部分的に蛍光強度が変化している(図bに破線で囲んだ穴)ものも見られた。図(d)の模式図に示すように、脂質二分子膜が穴内部に落ち込んでいることを示すものである。
When the osmotic pressure is higher in the outside of the hole than in the inside of the hole, water flows out from the inside of the hole toward the outside, and thus a force for pulling the lipid bilayer membrane into the inside of the hole is generated.
FIG. 5 shows this result. Initially, the lipid bilayer membrane sealed the plurality of holes, and light emission from the encapsulated fluorescent molecules was observed (FIG. 5 (a)). However, after changing the osmotic pressure, much fluorescence intensity was not observed. This is because the lipid bilayer falls into the hole or is broken due to the force accompanying the osmotic pressure change. Some of the fluorescence intensity changed partially by falling into the hole (a hole surrounded by a broken line in FIG. B). As shown in the schematic diagram of FIG. (D), this shows that the lipid bilayer has fallen into the hole.

上記のように比較例1の脂質二分子膜基板は、浸透圧変化によって、当該脂質二分子膜が破損することがあった。
一方、実施例1の脂質二分子膜基板2について、同様の浸透圧変化を加えたところ、殆ど全ての穴部において、蛍光分子からの発光が変わらずに観察された。つまり、浸透圧変化の前後において、開口部21を覆う脂質二分子膜30が安定に維持された。
これらの結果から、本発明にかかる脂質二分子膜基板は、浸透圧変化の影響を受け難く、従来よりも膜の安定性(膜強度)が向上していることが明らかである。
As described above, the lipid bilayer membrane of Comparative Example 1 sometimes breaks due to changes in osmotic pressure.
On the other hand, when the same osmotic pressure change was applied to the lipid bilayer membrane substrate 2 of Example 1, light emission from the fluorescent molecules was observed in almost all the holes without change. That is, the lipid bilayer membrane 30 covering the opening 21 was stably maintained before and after the osmotic pressure change.
From these results, it is clear that the lipid bilayer membrane substrate according to the present invention is hardly affected by changes in osmotic pressure, and the stability (membrane strength) of the membrane is improved as compared with the conventional one.

<AFMによる穴内部のゲルの観察>
脂質二分子膜30を形成しない以外は、実施例1と同様に行い、ハイドロゲル22を穴部20の中に充填した基板(ハイドロゲル基板)を準備した。この際、穴部20の外部に形成されたハイドロゲルを剥がして除去した。
このハイドロゲル基板の上面の蛍光像を図6(a)に示す。ハイドロゲル22に含まれるカルセインからの発光が3つの穴部から観測された。ハイドロゲル基板の上面の同じ領域をAFM(原子間力顕微鏡)で観察した結果を図6(b)(c)に示す。これらの結果から、発光がみられた3つの穴部に、ゲルが埋まっていることが確認された。
<Observation of gel inside hole by AFM>
Except not forming the lipid bilayer membrane 30, it carried out like Example 1 and the board | substrate (hydrogel board | substrate) with which the hydrogel 22 was filled in the hole part 20 was prepared. At this time, the hydrogel formed outside the hole 20 was peeled off and removed.
A fluorescent image of the upper surface of the hydrogel substrate is shown in FIG. Luminescence from calcein contained in the hydrogel 22 was observed from the three holes. The same region on the upper surface of the hydrogel substrate is observed with an AFM (atomic force microscope), and the results are shown in FIGS. From these results, it was confirmed that the gel was buried in the three holes where luminescence was observed.

<AFMによる膜強度の評価>
実施例1の脂質二分子膜基板2における脂質二分子膜30をAFMで観察したところ、脂質二分子膜30が開口部21に張られていることを確認できた。これは、脂質二分子膜30がハイドロゲル22に支持されているため、AFMのプローブが脂質二分子膜を探知できる程度に膜強度が向上していることを示していると考えられる。
一方、図5(c)に示す比較例1の脂質二分子膜基板における脂質二分子膜をAFMで観察することを試みたが、開口部における脂質二分子膜について、安定した信頼性の高い像を得ることができなかった。これは、当該脂質二分子膜の膜強度が、実施例1と比べて弱いことを示していると考えられる。
<Evaluation of film strength by AFM>
When the lipid bilayer membrane 30 in the lipid bilayer membrane substrate 2 of Example 1 was observed with AFM, it was confirmed that the lipid bilayer membrane 30 was stretched on the opening 21. This is probably because the lipid bilayer 30 is supported by the hydrogel 22 and thus the membrane strength is improved to such an extent that the AFM probe can detect the lipid bilayer.
On the other hand, we tried to observe the lipid bilayer membrane on the lipid bilayer membrane substrate of Comparative Example 1 shown in FIG. 5 (c) with AFM, but the lipid bilayer membrane in the opening was stable and reliable. Could not get. This is considered to indicate that the membrane strength of the lipid bilayer membrane is weaker than that of Example 1.

以上の結果から、本発明にかかる脂質二分子膜基板は、浸透圧変化や温度変化等の影響を受け難く、従来よりも膜の安定性(膜強度)が向上していることが明らかである。   From the above results, it is clear that the lipid bilayer membrane substrate according to the present invention is hardly affected by osmotic pressure change, temperature change, etc., and has improved membrane stability (membrane strength) than before. .

1〜4…脂質二分子膜基板(膜タンパク質固定化基板)、
10…基板(基板本体)、10a…基板の上面、11…薄膜層(シリコン酸化膜、オーバーハング形状形成層)、11a…オーバーハング部、20…穴部、20a…脂質二分子膜で覆われていない穴部、20b…脂質二分子膜で覆われている穴部、21…開口(開口部)、22…ハイドロゲル、23…蛍光分子(蛍光物質)、30…脂質二分子膜(脂質二重膜)、31…膜タンパク質、40…電極、41…対向電極、L…外部溶液、Q…蛍光分子を含む水溶液。
1-4 ... Lipid bilayer substrate (membrane protein-immobilized substrate),
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate (substrate body), 10a ... Upper surface of substrate, 11 ... Thin film layer (silicon oxide film, overhang forming layer), 11a ... Overhang part, 20 ... Hole part, 20a ... Covered with lipid bilayer Non-perforated hole, 20b ... hole covered with lipid bilayer, 21 ... opening (opening), 22 ... hydrogel, 23 ... fluorescent molecule (fluorescent substance), 30 ... lipid bilayer (lipid bilayer) Heavy film), 31 ... membrane protein, 40 ... electrode, 41 ... counter electrode, L ... external solution, Q ... aqueous solution containing fluorescent molecules.

Claims (3)

基板の上面にハイドロゲル前駆体を含む溶液を注いで、前記基板の上面に設けられた穴部の中に前記溶液を充填する充填工程と、
前記基板の上方にある前記溶液に巨大ベシクルを添加し、前記巨大ベシクルを沈降させ、前記穴部の近傍で前記巨大ベシクルを展開し、前記穴部の開口を脂質二分子膜で覆う脂質二分子膜形成工程と、
前記穴部の外部のハイドロゲル前駆体を含む溶液を除去せずに、前記穴部の内外において、前記溶液中のハイドロゲル前駆体をゲル化させてハイドロゲルを形成するゲル化工程と、を有することを特徴とする脂質二分子膜基板の製造方法。
Pouring a solution containing a hydrogel precursor on the upper surface of the substrate, and filling the solution into a hole provided in the upper surface of the substrate;
Giant vesicles are added to the solution above the substrate, the giant vesicles are allowed to settle, the giant vesicles are developed in the vicinity of the hole, and the lipid bilayer covering the opening of the hole with a lipid bilayer membrane A film forming step;
A gelation step of forming a hydrogel by gelling the hydrogel precursor in the solution inside and outside the hole without removing the solution containing the hydrogel precursor outside the hole. A method for producing a lipid bilayer membrane substrate, comprising:
前記脂質二分子膜を損なわないように前記穴部の外部のハイドロゲルを除去する工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の脂質二分子膜基板の製造方法。The method for producing a lipid bilayer membrane substrate according to claim 1, further comprising a step of removing a hydrogel outside the hole so as not to damage the lipid bilayer membrane. 前記穴部の開口に該開口を狭める方向に延びるオーバーハング部が設けられた基板を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の脂質二分子膜基板の製造方法。 The method for producing a lipid bilayer substrate according to claim 1 or 2 , wherein a substrate in which an overhang portion extending in a direction of narrowing the opening is provided in the opening of the hole portion.
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