2014年05月28日08:49
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生物電子誕生（一）生物體內的寶藏，將帶來控制、傳感器和節能革命
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生物的優良機制在傳感器領域也發揮了威力。如可對一個分子做出反應的超高敏度傳感器，以及對特定氣味做出反應的昆虫傳感器。靈敏度絲毫不輸人類的觸覺傳感器也進入了開發“射程”。
如果能借助生物的力量，便可制造憑現有電子部件和半導體技術難以實現的超高敏度傳感器。生物尤可發揮巨大作用的是氣味傳感器。雖然也有用半導體傳感器來實現的研究，但存在諸如對氣味的選擇性低、檢測用時較長等課題。
還有像機場的緝毒犬那樣用犬來代替傳感器的方法，但同樣存在很多問題，如訓練緝毒犬需要時間和金錢、無法長時間集中精力、難以進入有生命危險的場所等。
而如果能將生物的嗅覺機制應用於工學，就有可能突破這些障礙。著眼於這一點開發高敏度傳感器的，是東京大學生產技術研究所教授竹內昌治領導的研發小組。該研發小組的目標是隻要用一個分子即可檢測的傳感器。
具體來說就是利用細胞具備的“膜蛋白質”。膜蛋白質可用作隻一個分子即可檢測出特定物質的傳感器。
細胞被稱為“脂質雙分子層”的雙層脂質分子膜所包覆。多種膜蛋白質可貫穿這種分子膜（圖1）。特定的分子附著在膜蛋白質上后，膜蛋白質就會變形，脂質雙分子層上出現小孔。因膜蛋白質種類的不同，發生反應的分子種類也不同。
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圖1：膜蛋白質變身為高敏度傳感器 細胞被“脂質雙分子層”包覆，有多種膜蛋白質貫穿其中（a）。這種膜蛋白質上附著了特定的分子后就會變形，脂質雙分子層上會形成孔（b）。此時，脂質雙分子層的正反面如果有電位差的話，大量離子就會通過孔流動。通過檢測離子的流動來作為傳感器發揮作用。（圖由《日經電子》根據東京大學的資料制作） |
脂質雙分子層上開孔時，膜的正反面如果有電位差，就會流過大量的離子。通過檢測離子的流動來發揮傳感器的作用。隻要有一個分子附著在膜蛋白質上，1秒鐘就會有大約107個離子移動，因此能高敏度傳感。
將膜蛋白質用作傳感器時，重要的是作為基礎的脂質雙分子層。但此前脂質雙分子層比較難形成，“一般由熟練的研究人員通過手工作業等制作，以往的方法不適合大批量生產”（東京大學的竹內）。
因此，竹內等人開發出了可輕鬆制造脂質雙分子層的方法：在分散有脂質的油中滴入少量的水滴，即可根據脂質的自組織，形成以單層脂質膜包覆的水滴（圖2）。利用通過MEMS技術制造的“微流體裝置”，使兩個由單層脂質膜包覆的水滴接觸，接觸部分就會形成雙分子層。這種制造方法稱為“Droplet Contact Methods（DCM）”。通過DCM制造雙分子層的裝置已經與神奈川科學技術研究院（KAST）完成共同開發。
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圖2：輕鬆制作脂質雙分子層 東京大學開發出了可輕鬆、高效制作脂質雙分子層的方法（a）。首先，在分散有脂質的油中滴入少量水滴，可形成以單層脂質膜包覆的水滴。使兩個這樣的水滴接觸，接觸部分就會形成脂質雙分子層。在其中嵌入與想檢測的分子發生反應的膜蛋白質即可作為傳感器工作（b）。（圖由《日經電子》根據東京大學的資料制作） |
試制可卡因傳感器
在利用DCM制作的脂質雙分子層中嵌入與想檢測的物質的分子發生反應的膜蛋白質，作為傳感器使用。也就是說，制作僅針對特定物質發生反應的人工細胞。
竹內等人在利用DCM制作的脂質雙分子層中埋入“α-溶血素”膜蛋白質，試制了針對可卡因發生反應的傳感器。
α-溶血素是有直徑約1.5nm的孔的筒狀物質，會通過脂質雙分子層的正反面。在此之上組合了隻與可卡因分子結合的“DNA核酸適體”。
DNA核酸適體能以單鏈穿過α-溶血素的孔。但與可卡因分子結合的話，形狀會發生變化，就無法再穿過孔了。通過檢測DNA核酸適體與可卡因分子結合后被孔卡住時產生的電流來檢測可卡因。能夠檢測到溶解在1L液體中的0.3mg的可卡因。檢測時間隻有25秒。
可卡因傳感器利用的這種檢測法通過改變DNA核酸適體的種類，還能高敏度檢測其他物質。估計將來可用於環境傳感器，用來檢測食品的氣味以調查新鮮度、農藥量和產地，或者檢測水中和大氣中的有害物質。還打算用於根據口臭和體臭診斷疾病的傳感器注1）。
注1）竹內等人開發的人工細胞除傳感器用途外，還可用於新藥領域。因為，藥物是否經由膜蛋白質進入了細胞內決定著藥效。
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