現実の分子にあわせて電場をプロジェクションマッピングすることで,現実の分子機能を自在に拡張するような「分子スケールMR/AR(複合現実: mixed reality)技術」を目指しています.
Nano deposition and ablation was performed on living cell using an electron-beam induced chemical reaction in non-vacuum aqueous medium. Nanopattern was fabricated on living cell from 10-40 mM EDOT precursor in cultivation medium. And living cell was also successfully trimmed using ablation process with minimally invasion.
【解説論文】
星野隆行, 宮廻裕樹, 応用物理, 92(5), 283, 2023, DOI:10.11470/oubutsu.92.5_283.
T. Hoshino, H. Miyazako, JSAP Review, vol. 2023, p. 230418, 2023, DOI:10.11470/jsaprev.230418.
【代表的な論文】
T. Hoshino, Applied Physics Letters, 99, pp.174102, (2011).
T. Hoshino, Biochem.B iophys. Res. Comm., 432 (2), 3459, (2013). DOI 10.1016/j.bbrc.2013.01.10
ナノサイズに集束した電子線を高速走査することにより、ディスプレイ面に電場と光学像の動的パターンを生成して、ナノ粒子との間に働く力場をリアルタイムに制御することに成功しました。この力場呈示ディスプレイを用いて、情報空間とナノ物質空間をリアルタイムにつなぐ「ナノ複合現実」を実証し、ナノ世界で自由自在に操ることができる「世界最小のシューティングゲーム」をデモンストレーションしました。この技術を応用することで、ナノ物質に情報空間を重ね合わせる分子・コンピュータ・インタフェースへの発展が期待されます。
Molecular-computer interfaces are expected to provide valuable biomolecular applications with interconnecting the nanoscale molecular world to cyber space. We proposed an electron beam (EB)-induced dynamical display of pure electrophoretic-force field, and experimentally demonstrated interactive motion control with the nano resolution electro-force field display. The displayed electro-force fields were performed with nanoscale resolution and were instantaneously changed the geometrical form by the EB scanning trajectory, which named virtual cathode (VC). The surface modification of the display successfully suppressed electroosmotic flows and improve the nanoscale precision control via geometric form effects owing to a sharp edge part of the VC patterns, which enhanced the electrophoretic-force field at the sharp edge parts. Finally, we demonstrated the performance of the dynamically displaying force field by implementing an interactive nano video game on the display. These results indicate that the intuitive electrophoretic-force field display represents a powerful nanotool for enhancement of real-time biomolecular machining technology.
Size fractionation of graphene oxide sheets by electron beam-addressing localized electrophoresis
物理空間内にあたかもナノマシンが存在するかのように機能するインタフェースを開発し、任意の場所で二次元ナノ材料をサイズ分別することに成功しました。
Size fractionating of graphene oxide (GO) into micro- to nano-scaled fractions is a crucial process for assessing GO size-dependent physiochemical effects on living cells. However, due to the difficulty in dynamically observing interactions between size-fractionated GO and target cells, conflicting analytical reports about the biocompatibility of size-controlled GO present challenges to researchers’ understanding. Thus, it is necessary to have a dynamic size fractionation system to manipulate the desired GO sizes for the in-situ observation. Here, we present an electrokinetic size fractionation system for two-dimensional materials with surface charges by positioning an electron beam (EB)-induced virtual cathode (VC), which can generate programmable electric fields on a dielectric silicon nitride (SiN) surface. Also, we propose a size fractionation mechanism using two different external forces: electrophoretic force and electroosmotic flow-induced drag force acting on negatively charged GO. In addition to making a numerical simulation for the electrokinetic force field, we experimentally observe the transient migration velocities of GO sheets with the sheet area of 5–50 µm2 that are attracted to the center of a ring-shaped VC and then repulsed from the edge of the VC. In the repulsion step, importantly, the migration velocities of the GO sheet are found to increase as the GO sheet area is smaller. Moreover, migration directions of the GO sheet are locally manipulated by dynamically positioning the VC relative to the GO sheet. We expect our system will move towards an accurate understanding of the interfaces between size-fractionated GO and the targeted cells.
人工細胞膜の流動を電子線により自在に制御するディスプレイを開発し、人工細胞膜の流れを制御し、二次元パターン(図形)を繰り返し描いたり消したりすることに成功しました。
また、このディスプレイ技術を用い、分子が自発的に集合して脂質膜内に島状のドメイン構造(脂質ラフト)を形成することに成功しました。これは、細胞膜で起きている相分離現象や自己組織構造の形成を模擬するものです。
このディスプレイは、人工細胞膜の流れや相分離現象をラピッドプロトタイピングすることができ、デジタル技術と分子現象をつなぐ技術として期待されます。
Patterning of supported lipid bilayers (SLBs) is a fundamental tool for mimicking and modeling of biological membranes, but it still remains a challenge to achieve resetting and retriggering for the membrane-mediated processes of the patterned SLBs. This paper reports that indirect scanning of an electron beam (EB) enables repeatable patterning and remodeling of SLBs. By indirect scanning of the EB onto SLBs through a 100-nm-thick silicon nitride membrane, chemical and electrical effects of scattered electrons can be applied to lipid molecules in SLBs; application of these effects enables formation and annihilation of diffusion barriers in SLBs. Two-dimensional patterning of SLBs was demonstrated to be controllable by changing the electron dose of the EB and two phenomena were applied to realize repeatable wiping off and wetting of SLB patterns. Moreover, respreading of SLBs was determined as able to induce remodeling of a raft domain in phase-separated SLBs. The proposed method will lead to a prototyping tool for mimicking cell membranes to design interactions of cells and membrane proteins as well as SLB-based microchips.
タンパク質分子モーターのひとつであるキネシン-微小管をアクチュエータとするナノデバイスの迅速な製造と評価のために、キネシンの活性と密度を制御することが重要です.従来の光学的な制御方法では,拡散過程に律速するため,長期的な空間制御性に欠けている.また,キネシン-微小管の高さは数十nmと微小であるため、キネシン分子を制御しようとした場合,キネシン分子だけでなく微小管も同時に損傷されてしまう問題がある.本研究では,電解液中の表面電界がデバイ遮蔽によりナノメートルスケールで遮蔽されることを利用し、電子ビームの間接照射によって誘導される表面限定の電気化学反応を使用して、デバイ長のなかにあるキネシン分子のみを制御し,外柄にある微小管には影響を与えない制御が可能であることを示した.これの成果は,キネシン密度と活性の細かい空間制御が可能であることを示しています。 これらのローカライズされた電気化学的効果は、EB 加速電圧を変更することによって、キネシンの除去とキネシン活性の運動制御の両方を引き起こすことを示しています。
Gliding of microtubules (MTs) on kinesins has been applied to lab-on-a-chip devices, which enable autonomous transportation and detection of biomolecules in the field of bioengineering. For rapid fabrication and evaluation of the kinesin–MT based devices, optical control techniques have been developed for control of kinesin activity and density; however, use of caged molecules lacks spatial controllability for long-term experiments, and direct irradiations of UV light onto kinesin-coated surfaces are inherently damaging to MTs due to their depth limit since the heights of the kinesin–MT systems are at the tens of a nanometer scale. Considering surface electric fields in electrolytic solutions are shielded at the nanometer scale due to Debye shielding, in this study, we show that fine spatial control of kinesin density and activity is enabled using surface-limited electrochemical reactions induced by indirect irradiations of an electron beam (EB). An EB is indirectly irradiated onto the kinesins through a 100-nm-thick silicon nitride membrane, and the electrons scattered in the membrane can cause localized electrochemical effects to the kinesins. We show that these localized electrochemical effects cause both ablation of kinesins and motility control of kinesin activity by changing the EB acceleration voltage. In particular, the latter is achieved without complete ablation of MTs, though the MTs are indirectly irradiated by the EB. As a demonstration of on-demand control of gliding MTs, we show the accumulation of the MTs on a target area by scanning the EB. The proposed accumulation technique will lead to rapid prototyping of microdevices based on MT–kinesin motility assay systems.
誘電泳動法は,ソフトマターを操作する際に有用な手法の一つですが,生体分子をより自在に操作するためには,呈示電場を自在にかつ高速に操る電場呈示手法が必要となります.本論文では,電子ビームを用いたバーチャル電極(VC)ツールを設計し,これを自在に変形可能で操作性の高い電極として用い,分子操作が可能であることを明らかにしました.VCツールを適用して,YOYO-1で蛍光標識したDNA分子の電気化学的応答を調べ.そのパターン生成経路と周波数特性を評価しました.印加するVCツールが高い周波数成分をもつほど、ドーズ量が減っても効果範囲が拡大することが分かりました.これは,VCツールが誘電体であるSiN薄膜や電気二重層に起因するハイパス特性を有しており,誘電現象に律速していることを示唆しています.これらの結果から,VCツールは,ツールパスや描画周波数の設計を工夫することで,誘電現象を制御することができ,より柔軟な分子操作や加工が可能になると考えられます.
Dielectrophoretic manipulations are deft techniques for soft-matter processes. To actuate the target biomolecules more spatiotemporally, the manipulator which can maneuver the adjustable electric field at high speed is required. We have designed a virtual cathode (VC) tool drawn with an electron beam (EB), which is a deformable and maneuverable electrode. In this report, we investigated the electrochemical response of YOYO-1-labeled DNAs by applying the VC tool and evaluated dependency of its dielectric characteristics on pattern frequency. The specific fluorescent bleaching responses we obtained suggested that work lengths and strength of the VC-induced electric field were enhanced as the applied VC pattern has a high pattern frequency. Moreover, we validated the form of the EB-drawing pattern can also affect dielectric characteristics of the VC tool. These results therefore indicate that the VC tool can control the dielectric phenomenon by a well-tuned tool design, which will lead to more flexible manipulations.
脂質二重膜は,細胞の内側と外側を隔てる細胞膜を構成し,我々の体にある細胞の情報伝達に深く関わっており,医学研究だけでなく人工脂質膜を基盤とする生体分子デバイスへの工学応用が期待されています。しかしながら,人工脂質膜はシャボン玉のように柔らかく形が定まっていないため,形を自在に制御して生体分子デバイスをつくることは困難でした。今回,表面のぬれ性を電場で変えるエレクトロウェッティング効果を自在に制御するバーチャル電極ディスプレイを用いて,人工脂質膜の形状を仮想的なナノ電極の呈示に従って自在に変形させることに成功しました。本手法を利用することで,これまでその場で形状を制御することが困難であった人工脂質膜を自在に変形させて,望みの形に脂質ネットワークをつくることができるようになり,人工脂質膜を基盤とした新しい生体分子デバイスの研究が加速できると期待されます。
A new control method is proposed for lipid membrane flow of supported lipid bilayers (SLBs) using an electron beam (EB). A focused electric field of an EB (virtual cathode, VC) induces local electrowetting effects and generates small-scale membrane flow only around the VC. Moreover, the VC can generate large-scale membrane flow by inducing surface instability.
細胞や生体分子がある電解質溶液の任意の時空間に局所電場を形成しうるバーチャル電極ディスプレイを構築した.電子線走査を原理として120nmの解像度で局所的な電気化学現象を操作できる.電場操作により細胞接着分子の操作を行い,細胞を局所に脱接着させ細胞に蓄積されているひすみ分布の可視化を可能にした.この結果は,本装置が生体分子の機能操作が可能であることを示している.