細胞を形状ごとに分離するマイクロ流体チップを開発

ポイント

• マイクロ流体中における粒子の挙動を利用して、単純な構造の流路に細胞サンプルを通過させるだけで自発的に、細胞を形状ごとに分離させる技術の確立に成功した。
• 本技術を用いて藻類の一種であるミドリムシを、アスペクト比（長軸と短軸の比率で、形状の長細さを示す）ごとに分類することが可能であることを示した。
• 本成果は構造が単純なため低コスト化やスケールアップが容易であり、これを応用することにより、バイオ燃料生産に適した藻類細胞の探索や研究が加速すると期待される。

＜合田 圭介　プログラム・マネージャーのコメント＞

本成果は、内閣府革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」に参画するDi Carloチームによるものです。今回開発したマイクロ流体チップは、細胞を形状に応じて高速に連続分離する事が可能で、ミドリムシのみならず様々な微細藻類細胞に応用できます。本プログラムでは、最先端の異分野技術を組み合わせて、膨大な数の多種多様な細胞集団の細胞一つ一つを網羅的に調べ上げる細胞分析装置「セレンディピター」を開発しており、本研究成果は、セレンディピターの実現とグリーンイノベーション領域への展開に向けた大きな一歩であると考えています。

＜研究の背景と経緯＞

ミドリムシ（学名：Ｅｕｇｌｅｎａ　ｇｒａｃｉｌｉｓ）などの藻類はバイオ燃料生産への応用が期待されています。このような藻類は、円形に近いものから円筒状に長細く伸びたものまで、様々な形を取ることが知られており、形状は細胞周期の状態や光合成能力、細胞周辺環境などの影響を受けることから、細胞形状そのものが１つの重要なバイオマーカー^注１）といえます。均一な形状を持った細胞集団を分離できれば、細胞や細胞内の分子メカニズムについての理解向上に役立てることができます。また藻類に工学的な手を加えて、オイルなどの物質生産に応用する研究においても、より均質な条件の細胞を用いて遺伝子改変^注２）などの操作を行うことで開発の効率や安定性が向上することが期待されます。しかしながら従来のフィルター技術などでは、細胞をサイズや密度ごとに分離することは可能でしたが、形状を指標にした分離技術は実現されていませんでした。

＜研究の内容＞

本研究チームは慣性力を利用したマイクロ流体技術を応用して、連続的にミドリムシを細胞外形のアスペクト比ごとに分離する技術を確立しました（図１）。本研究では、精密加工された流路に細胞を流すと、アスペクト比が高い（細胞の幅に対する長さの割合が大きい）細胞はアスペクト比が低い細胞と比較してより流路中央に近い位置を流れることを発見しました。この現象を利用して、流路の位置ごとに異なる流路に誘導する分岐流路を組み合わせることで、細胞をアスペクト比ごとに分離することが可能となりました（図２ａ）。ここで開発したマイクロ流体チップは、直線上の流路および断面が徐々に広がった形状の流路および出口流路で構成されており、このチップを用いることで低アスペクト比のミドリムシ（アスペクト比１および２）は９２．６％、高アスペクト比のミドリムシ（アスペクト比６および７）は８２．４％の純度で分離されました（図２ｂ）。

＜今後の展開＞

本研究成果は、ミドリムシなどの藻類を用いた生物学的研究や産業応用などに対して大きなインパクトを与えるものです。ミドリムシにおけるアスペクト比などの形状は、概日リズム^注３）や細胞周期などの生物学的要因、光合成や呼吸など代謝活動の要因、温度や光、ｐＨ、イオン濃度など外部環境要因などに作用される、生物学的に重要なバイオマーカーです。これを指標としてより均一な細胞集団を分離することができる本技術は、培養条件の制御や育種、遺伝子改変などの技術を組み合わせることで、オイル生産性が高い藻類の開発などに役立つことが期待されます（図３）。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） バイオマーカー

生体内の生物学的変化を定量的に把握するため、生体情報を数値化・定量化した指標のことである。

注２） 遺伝子改変

遺伝子工学を用いて、人為的に個体の遺伝情報を変化させることである。

注３） 概日リズム

一般的に、生体時計（体内時計）と呼ばれている、約２４時間の周期で変動し、そのリズムの周期が光パルスや暗パルスによってリセットされる生理現象のことである。人間などでは睡眠や摂食のパターンを決定する点において重要であるが、ミドリムシにおいても光合成によるエネルギー生成や細胞分裂、代謝などに影響を及ぼしていることが知られている。

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