光配列バーコードビーズの大規模作製法を開発
―共通設計のビーズを毎時100万個超で作り、光配列コードを後から書き込む―

東京大学
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

• 髪の毛の太さほどの小さなビーズに、5本の色の帯からなるバーコードを書き込む技術を開発。共通設計のビーズをまとめて作った後に、DNAを使って各帯に色コードを書き込み、多様な光配列を生成しました。
• 共通ビーズは毎時100万個超の速度で作製。64色コード/帯を実測し、理論上は10億通り超（64⁵）のバーコード設計可能性を示すとともに、実験でも3万5,155種類のバーコードを確認しました。
• 11日後の再撮像でもバーコードによりビーズを高精度に照合できることを実証。薬の候補、生体分子、細胞などを混ぜたまま識別・追跡する創薬・生命科学研究への応用が期待されます。

概要

　東京大学先端科学技術研究センターの太田禎生教授と江口晃弘助教らによる研究グループは、連続した帯構造を持つ微小ハイドロゲルビーズ（注1）を用いて、顕微鏡で読み取れる多種類のバーコードを大量に作る技術を開発しました。
　本研究では、流れる材料を光で固めるフローリソグラフィー（注2）を用いて帯構造を持つビーズを高速に連続作製し、作製後のビーズの各帯にさまざまな色と明るさの組み合わせ（=光基）を書き込めるようにすることで、多種類のバーコードを持つ小さなビーズ(～60 µm、参考：一般的な髪の毛の太さは50～100 µm)を効率よく作製できることを示しました。
　将来は、異なる薬の候補や生体分子をそれぞれのビーズに載せて追跡する技術へと飛躍させることで、高スループットな創薬スクリーニングや生命科学研究への応用が期待されます。

発表内容

　創薬や生命科学の研究では、多数の薬の候補や生体分子を効率よく調べるため、それぞれを小さなビーズに載せ、まとめて反応させる方法が使われています。しかし、たくさんのビーズを混ぜてしまうと、「どのビーズに何が載っていたのか」を見分けるための目印が必要になります。そこで、ビーズに異なる色や模様を持たせ、顕微鏡で読み取る「光学バーコード」が利用されてきました。これまでにも多種類の光学バーコードを作る方法はありましたが、必要なバーコードを選んで作ることと、多種類のバーコードをまとめて作ることを両立するのは困難でした。
　そこで本研究では、「ビーズを作る工程」と「バーコードを付ける工程」を分ける新しい方法を開発しました。まず、5つの帯からなるビーズを毎時100万個を超える速度で連続的に作製し、その後それぞれの帯を異なる色で染めることでバーコードを書き込みます。つまり、ビーズそのものは先にまとめて作っておき、必要なバーコードをあとから付けることができます。
　バーコードをあとから付けるために利用したのがDNAです。DNAには、塩基の並び方（配列）によって、決まった相手と選択的に結合する性質があります。そこで、ビーズの5つの帯にそれぞれ異なるDNAを組み込み、対応するDNAに色素を付けて加えることで、狙った帯だけに色を付けられるようにしました。加えるDNAの種類や量を変えることで、5つの帯の色と明るさを様々に組み合わせ、異なるバーコードをあとから書き込むことができます。
　実験では、5万9,049通りのバーコードを設計し、実際に解析したビーズから3万5,155種類の異なるバーコードを確認しました。また、バーコードを付けたビーズを11日後に再び撮影したところ、73％のビーズを高い信頼度で再識別できました。この結果から、同じビーズを時間をおいて見分け、変化を追跡できる可能性が示されました。

発表者・研究者等情報

東京大学
　先端科学技術研究センター
　　太田　禎生　教授
　　江口　晃弘　助教
　　岩本　侑一郎　博士研究員
　　成田　晴香　博士研究員
　　Adrian Mabini Martin　学術専門職員

　工学部
　　徳田　陽向　学部生
　　　研究当時：教養学部　学部生

論文情報

雑誌名：

Advanced Science

題　名：

Decoupling Fabrication from Encoding: DNA-Addressable Template Microparticles for Large, User-Defined Optical Barcode Libraries

著者名：

Akihiro Eguchi, Yuichiro Iwamoto, Hinata Tokuda, Haruka Narita, Adrian Mabini Martin, Sadao Ota

DOI：

https://doi.org/10.1002/advs.77407

研究助成

　本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX2534）、CREST（JPMJCR19H1、JPMJCR23B6）、革新的GX技術創出事業（GteX）（JPMJGX23B1）、先端国際共同研究推進事業（ASPIRE）（JPMJAP24B5、JPMJAP2416）の支援を受けて実施されました。また、本研究は、日本学術振興会（JSPS）科研費（JP25H01359、JP24K23030、JP25K24884、JP25K17926）、上原記念生命科学財団、UTEC-UTokyo FSI Research Grant Program、武田科学振興財団、中谷財団の支援を受けて実施されました。

用語解説

• （注1）微小ハイロドゲルビーズ
  水を多く含むゼリー状の高分子材料（ハイドロゲル）からできた、非常に小さな粒子。内部にDNAなどの分子を組み込むことができます。
• （注2）フローリソグラフィー
  液体を微細な流路に流しながら、光を照射して材料を固めることで、微小な粒子を連続的に作製する技術。光の当て方や流路内の液体の配置を工夫することで、さまざまな形状や構造を持つ粒子を作製できる。

問合せ先

東京大学先端科学技術研究センター
教授　太田　禎生（おおた　さだお）