医療現場での感染症や遺伝子迅速診断のためのフォトニックDNAバイオセンサーの開発

开发用于在医疗环境中快速诊断传染病和基因的光子 DNA 生物传感器

• 批准号: 21K05280
• 负责人: 高田 忠雄
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: University of Hyogo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05280/
• 关键词: DNA; バイオセンサー; プラズモニクス; 光電流; 近接場光; 等温連鎖反応; ハイブリダイゼーション連鎖反応; 光

感染症診断、がん診断、遺伝子解析といった医学領域で、体液（尿、血液、粘液）由来の核酸（DNA、RNA）を対象とした高感度検出技術への要求が増している。本研究グループはこれまでに、DNAの固有の分子認識能力と電子移動特性に焦点を当て、核酸の高感度検出を可能にする光電気化学センサーの開発に取り組んできた。本研究では、より迅速かつ感度の高い検出技術の確立を目指し、DNAの分子認識と金ナノ粒子（AuNP）表面の近接場を統合した光応答システムの基本原則を確立した。また、極微量の核酸の迅速な検出を可能にする新たなフォトニックDNAセンサーの開発を進めてきた。これまでの実験から、DNAの二本鎖形成を利用して電極に金ナノ粒子を配置し、近接場光で光増感分子を励起した結果、光電流が発生することを実証した。また、金ナノ粒子を積層させて近接場光を増強するナノ構造体を構築することで、電流が増加することが分かった。次に、電極表面でDNAのハイブリダイゼーション連鎖反応（HCR）を利用した電流増幅について調べた。ターゲット核酸をトリガーとしたHCRを行った後に、DNAに光増感分子を結合させると、結合数の増加に伴い光電流が増加することを示した。また、ポリヌクレオチドを合成する酵素TdTを用いて電極表面上でDNAを伸長させる反応を利用することで、光電流の増強が可能であることを示した。さらに、ATPなどの小分子やトロンビンタンパク質に結合するアプタマーを利用した光電流センサーの開発も進めた。これらの結果から、新たに開発したフォトニックDNAセンサーが核酸検出バイオセンサーとしての高い有用性を持つことを示している。今後、体液から核酸を高感度に検出するための新しいツールとしての応用が期待できる。

Adapting just-in-time inventory diagnosis, が ん diagnosis, but 伝 parsing と い っ た medicine で, body fluids, urine, blood and mucus) origin の nucleic acids (DNA, RNA) を like と seaborne し た Gao Gan degrees 検 technology へ の requirements が raised し て い る. This study グ ル ー プ は こ れ ま で に, DNA molecular cognition の inherent の と mobile electron に focus を when て, nucleic acid の 検 Gao Gan degrees out を may に す る photoelectric 気 chemical セ ン サ ー の open 発 に group take り ん で き た. This study で は, よ り quickly か つ sensitivity high の い 検 technology の establish を refers の し, DNA molecular recognition と gold ナ ノ particles (AuNP) surface の nearly meet を integration し た light 応 answer シ ス テ ム の を establish basic principles し た. ま た, extremely trace の nucleic acid の quickly な 検 out を may に す る new た な フ ォ ト ニ ッ ク DNA セ ン サ ー の open 発 を into め て き た. こ れ ま で の be 験 か ら formation, DNA の 2 lock を using し て に gold electrode ナ ノ particle を configuration し, near field optical で optical molecular を rights are wound up し た results, photocurrent が 発 raw す る こ と を card be し た. ま た, gold ナ ノ particle を horizon さ せ て nearly by strong light を raised す る ナ ノ constructs を build す る こ と で, current が raised す る こ と が points か っ た. Time に, electrode surface で DNA の ハ イ ブ リ ダ イ ゼ ー シ ョ ン chain against 応 を (HCR) using し た current rights of に つ い て adjustable べ た. タ ー ゲ ッ ト nucleic acid を ト リ ガ ー と し た HCR を line っ た に, DNA molecular を に rights sense light after combining さ せ る と, combined with several の raised に with い photocurrent が raised plus す る こ と を shown し た. ま た, ポ リ ヌ ク レ オ チ ド を synthetic す る enzyme the TdT を with い て electrode surface で DNA を elongation さ せ る anti 応 を using す る こ と で, photocurrent の raised strong が may で あ る こ と を shown し た. Small molecules さ ら に, ATP な ど の や ト ロ ン ビ ン タ ン パ ク qualitative に combining す る ア プ タ マ ー を using し た photocurrent セ ン サ ー の open 発 も into め た. こ れ ら の results か ら, new た に open 発 し た フ ォ ト ニ ッ ク DNA セ ン サ ー が nucleic acid 検 out バ イ オ セ ン サ ー と し て の high い usefulness を hold つ こ と を shown し て い る. In the future, body fluids, か ら nucleic acid を Gao Gan degrees に 検 out す る た め の new し い ツ ー ル と し て の 応 with が expect で き る.

项目成果

等温増幅反応を利用した核酸検出光バイオセンサーの開発

利用等温扩增反应进行核酸检测的光学生物传感器的开发

• 发表时间: 2022
• 作者: Takahashi Shuntaro;Sugimoto Naoki;田中亜季・中村 光伸・高田 忠雄
• 通讯作者: 田中亜季・中村 光伸・高田 忠雄

核酸の構造変化を利用した光電気化学アプタマーセンサーの開発

利用核酸结构变化开发光电化学适体传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: 竹本理恵;梅本裕介;長房すずか;高橋昭久;井尻憲一;大槻高史;渡邉和則;由里 拓也・中村 光伸・高田 忠雄
• 通讯作者: 由里 拓也・中村 光伸・高田 忠雄

Large Heterogeneity Observed in Single Molecule Measurements of Intramolecular Electron Transfer Rates through DNA

• DOI: 10.1246/bcsj.20220220
• 发表时间: 2022-12-01
• 期刊: BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN
• 影响因子: 4
• 作者: Fan, Shuya;Takada, Tadao;Kawai, Kiyohiko
• 通讯作者: Kawai, Kiyohiko

Programmed Control of Fluorescence Blinking Patterns based on Electron Transfer in DNA

• DOI: 10.1002/chem.202203552
• 发表时间: 2023-02-27
• 期刊: CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL
• 影响因子: 4.3
• 作者: Fan，Shuya;Takada，Tadao;Kawai，Kiyohiko
• 通讯作者: Kawai，Kiyohiko

ハイブリダイゼーション連鎖反応を利用した核酸検出光バイオセンサーの開発

开发利用杂交链式反应进行核酸检测的光学生物传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: 坂東晃成;渡邉和則;大槻高史;田中亜季・中村 光伸・高田 忠雄
• 通讯作者: 田中亜季・中村 光伸・高田 忠雄