2014年05月28日08:49
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生物电子诞生（一）生物体内的宝藏，将带来控制、传感器和节能革命
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生物的优良机制在传感器领域也发挥了威力。如可对一个分子做出反应的超高敏度传感器，以及对特定气味做出反应的昆虫传感器。灵敏度丝毫不输人类的触觉传感器也进入了开发“射程”。
如果能借助生物的力量，便可制造凭现有电子部件和半导体技术难以实现的超高敏度传感器。生物尤可发挥巨大作用的是气味传感器。虽然也有用半导体传感器来实现的研究，但存在诸如对气味的选择性低、检测用时较长等课题。
还有像机场的缉毒犬那样用犬来代替传感器的方法，但同样存在很多问题，如训练缉毒犬需要时间和金钱、无法长时间集中精力、难以进入有生命危险的场所等。
而如果能将生物的嗅觉机制应用于工学，就有可能突破这些障碍。着眼于这一点开发高敏度传感器的，是东京大学生产技术研究所教授竹内昌治领导的研发小组。该研发小组的目标是只要用一个分子即可检测的传感器。
具体来说就是利用细胞具备的“膜蛋白质”。膜蛋白质可用作只一个分子即可检测出特定物质的传感器。
细胞被称为“脂质双分子层”的双层脂质分子膜所包覆。多种膜蛋白质可贯穿这种分子膜（图1）。特定的分子附着在膜蛋白质上后，膜蛋白质就会变形，脂质双分子层上出现小孔。因膜蛋白质种类的不同，发生反应的分子种类也不同。
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图1：膜蛋白质变身为高敏度传感器 细胞被“脂质双分子层”包覆，有多种膜蛋白质贯穿其中（a）。这种膜蛋白质上附着了特定的分子后就会变形，脂质双分子层上会形成孔（b）。此时，脂质双分子层的正反面如果有电位差的话，大量离子就会通过孔流动。通过检测离子的流动来作为传感器发挥作用。（图由《日经电子》根据东京大学的资料制作） |
脂质双分子层上开孔时，膜的正反面如果有电位差，就会流过大量的离子。通过检测离子的流动来发挥传感器的作用。只要有一个分子附着在膜蛋白质上，1秒钟就会有大约107个离子移动，因此能高敏度传感。
将膜蛋白质用作传感器时，重要的是作为基础的脂质双分子层。但此前脂质双分子层比较难形成，“一般由熟练的研究人员通过手工作业等制作，以往的方法不适合大批量生产”（东京大学的竹内）。
因此，竹内等人开发出了可轻松制造脂质双分子层的方法：在分散有脂质的油中滴入少量的水滴，即可根据脂质的自组织，形成以单层脂质膜包覆的水滴（图2）。利用通过MEMS技术制造的“微流体装置”，使两个由单层脂质膜包覆的水滴接触，接触部分就会形成双分子层。这种制造方法称为“Droplet Contact Methods（DCM）”。通过DCM制造双分子层的装置已经与神奈川科学技术研究院（KAST）完成共同开发。
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图2：轻松制作脂质双分子层 东京大学开发出了可轻松、高效制作脂质双分子层的方法（a）。首先，在分散有脂质的油中滴入少量水滴，可形成以单层脂质膜包覆的水滴。使两个这样的水滴接触，接触部分就会形成脂质双分子层。在其中嵌入与想检测的分子发生反应的膜蛋白质即可作为传感器工作（b）。（图由《日经电子》根据东京大学的资料制作） |
试制可卡因传感器
在利用DCM制作的脂质双分子层中嵌入与想检测的物质的分子发生反应的膜蛋白质，作为传感器使用。也就是说，制作仅针对特定物质发生反应的人工细胞。
竹内等人在利用DCM制作的脂质双分子层中埋入“α-溶血素”膜蛋白质，试制了针对可卡因发生反应的传感器。
α-溶血素是有直径约1.5nm的孔的筒状物质，会通过脂质双分子层的正反面。在此之上组合了只与可卡因分子结合的“DNA核酸适体”。
DNA核酸适体能以单链穿过α-溶血素的孔。但与可卡因分子结合的话，形状会发生变化，就无法再穿过孔了。通过检测DNA核酸适体与可卡因分子结合后被孔卡住时产生的电流来检测可卡因。能够检测到溶解在1L液体中的0.3mg的可卡因。检测时间只有25秒。
可卡因传感器利用的这种检测法通过改变DNA核酸适体的种类，还能高敏度检测其他物质。估计将来可用于环境传感器，用来检测食品的气味以调查新鲜度、农药量和产地，或者检测水中和大气中的有害物质。还打算用于根据口臭和体臭诊断疾病的传感器注1）。
注1）竹内等人开发的人工细胞除传感器用途外，还可用于新药领域。因为，药物是否经由膜蛋白质进入了细胞内决定着药效。
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