超音波とアプタマーセンシングを利用した極微量分子計測

近年、医療、環境科学、食品安全などの分野において、サブナノからフェムトモーラーまでの極微量な分子の高感度検出技術が求められている。従来は、ELISA法や量子ドットを用いた検出技術などがあるが、より高い検出感度や、より良い使いやすさ（標識や修飾が不要、簡単）、より広い汎用性といった課題がある。

筑波大学の宮川先生は、これらの課題を解決しうる、全く新しいコンセプトの微小量検出技術を開発した。これは、超音波によって発生する力を使い、極微量の物質の濃度を高感度でセンシングする技術である。強力な超音波を使い空気中や液中で物質を浮遊させる、「超音波浮揚」現象を応用する。

本技術のメカニズムを概説する。測定器は、それを満たす溶液中に漂うターゲット分子と、ターゲット分子に特異的に結合するアプタマー（測定器の底面に固定）、そしてそのアプタマーに結合するレポーターDNAがある（図１）。ターゲット分子の濃度が高い場合、アプタマーの多くがターゲット分子と結合するので、レポーターDNAはアプタマーに結合せず、測定器の底にたまっている（図２右）。このとき、超音波を垂直方向に照射すると、レポーターDNAは超音波によって底から浮揚し、最終的には測定器の中央に集まる（超音波は予め、測定器内で定在波を作り、節を中央部に作るように調整されている）。一方、ターゲット分子の濃度が薄い場合（図２左）、多くのレポーターDNAはアプタマーと結合しており、底にたまっている量が少ない。つまり、弱い超音波では測定器の中央に集まるレポーターDNAの量は少ない。しかし、超音波がある程度強くなれば、レポーターDNAはアプタマーから離れることができ、測定器中央に集まる量が増える。以上の現象を整理すると、測定器中央に集まるレポーターDNAの量と測定器に与える超音波の関係を見ることで、ターゲット分子の濃度を測定することができる（図２中央）。実際には、図２中央グラフのように、超音波を発生するための電圧（横軸）と、測定器中央に集まったレポーターDNAの割合（縦軸、顕微鏡観測と画像解析によりレポーターDNAを担持する粒子の個数を計測する）から検量線（図３、４）をあらかじめ作成しておく必要がある。