JP5392707B2

JP5392707B2 - 膜小胞***システム

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Publication number: JP5392707B2
Application number: JP2009087377A
Authority: JP
Inventors: 優貴森谷; 聡檜山; 純一菊池; 主馬安原
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: EP2236203A3; CN101854214A; EP2236203B1; US20100248354A1; EP2236203A2; CN101854214B; JP2010234505A

Description

本発明は、膜小胞***システム、分子通信システム、膜小胞***方法及び分子通信方法に関する。

情報分子が内包されている分子カプセルを放出する分子送信機と、分子送信機から放出された分子カプセルに内包されている情報分子を受信する分子受信機を有する分子通信システムが知られている（特許文献１参照）。

一方、特許文献２及び非特許文献１には、分子送信機として、ホスファチジルコリン等のリン脂質で構成されたリポソームを用い、分子送信機から情報分子を放出する際に、リポソームを***させる方法が開示されている。

また、非特許文献２には、長鎖炭化水素基を一つ有する界面活性剤を閾値以上臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）以下になるように添加することにより、秩序液相の脂質二分子膜を有する巨大単一膜ベシクル（ＧＵＶ）を***させる方法が開示されている。このとき、長鎖炭化水素基を一つ有する界面活性剤としては、リゾホスファチジルコリン（ｌｙｓｏ−ＰＣ）、リゾホスファチジン酸（ｌｙｓｏ−ＰＡ）、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、オクチルグルコシド（Ｏｃｔｙｌｇｌｕｃｏｓｉｄｅ）が用いられている。

しかしながら、長鎖炭化水素基を一つ有する界面活性剤の濃度、ＧＵＶを構成する脂質二分子膜に制限があるため、汎用的な条件でＧＵＶを***させることができないという問題がある。

特開２００８−６８３４７号公報特開２００７−２９６６０９号公報

Ｙ．Ｍｏｒｉｔａｎｉ，ｅｔａｌ，"ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｍｏｎｇＮａｎｏｍａｃｈｉｎｅｓＵｓｉｎｇＶｅｓｉｃｌｅｓ，"ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｎＮＳＴＩＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＴｒａｄｅＳｈｏｗ２００６，ｖｏｌ．２，ｐｐ．７０５−７０８，Ｍａｙ２００６．Ｙ．Ｉｎａｏｋａ，ｅｔａｌ，"ＶｅｓｉｃｌｅＦｉｓｓｉｏｎｏｆＧｉａｎｔＵｎｉｌａｍｅｌｌａｒＶｅｓｉｃｌｅｓｏｆＬｉｑｕｉｄ−Ｑｒｄｅｒｅｄ−ＰｈａｓｅＭｅｍｂｒａｎｅｓＩｎｄｕｃｅｄｂｙＡｍｐｈｉｐｈｉｌｅｓｗｉｔｈａＳｉｎｇｌｅＬｏｎｇＨｙｄｒｏｃａｒｂｏｎＣｈａｉｎ，"Ｌａｎｇｍｕｉｒ，ｖｏｌ．２３，ｐｐ．７２０−７２８，２００７．

本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、汎用的な条件で膜小胞を***させることが可能な膜小胞***システム及び膜小胞***方法を提供することを目的とする。また、本発明は、該膜小胞***システムを有する分子通信システム及び膜小胞***方法を用いる分子通信方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、カチオン性脂質を含む脂質二分子膜を有する第一の膜小胞に、疎水性基を有するアニオン性物質を所定量付与することにより、第一の膜小胞の外部に、脂質二分子膜の一部を有する第二の膜小胞を***させる。

本発明によれば、汎用的な条件で膜小胞を***させることが可能な膜小胞***システム及び膜小胞***方法を提供することができる。また、本発明によれば、該膜小胞***システムを有する分子通信システム及び膜小胞***方法を用いる分子通信方法を提供することができる。

本発明の膜小胞***システムの一例を示す概念図である。図１の膜小胞における脂質二分子膜を示す図である。図１の膜小胞が***する過程を示す図である。図１の膜小胞の変形例を示す図である。本発明の分子通信システムの一例を示す概念図である。図５の膜小胞が***する過程を示す図である。実施例のピラニン水溶液を添加した後の膜小胞を示す光学顕微鏡写真である。

次に、本発明を実施するための形態を図面と共に説明する。

図１に、本発明の膜小胞***システムの一例を示す。膜小胞***システム１００は、膜小胞１１０と、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１を膜小胞１１０に付与する水溶液付与装置１２０を有する。

膜小胞１１０は、カチオン性脂質１１１及び両性リン脂質１１２が混在する脂質二分子膜を有し、水中に存在する。カチオン性脂質１１１及び両性リン脂質１１２は、疎水性基が疎水性相互作用によって自律的に整列され、表面にイオン性基が露出した状態で存在する（図２参照）。なお、膜小胞１１０は、水中で、カチオン性脂質１１１及び両性リン脂質１１２を攪拌したり、超音波で分散させたりすることにより形成することができる。また、膜小胞１１０は、カチオン性脂質１１１及び両性リン脂質１１２を、クロロホルム、メタノール等の有機溶媒に溶解させた溶液をガラスチューブ等に入れた後、有機溶媒を揮発させることにより得られる脂質フィルムに水を加えて膨潤させることにより形成することができる。

カチオン性脂質１１１としては、特に限定されないが、４級アンモニウム塩型又はピリジニウム塩型のカチオン性基と、二つの長鎖炭化水素基を有する脂質等が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、脂質間の水素結合効果による会合形態の安定化が脂質二分子膜の形成において重要であることから、化学式

で表されるＮ^＋Ｃ_３Ｕ２Ｃ_１６が好ましい。

脂質二分子膜中のカチオン性脂質１１１の含有量は、通常、５〜９５ｍｏｌ％であり、５０ｍｏｌ％程度であることが好ましい。この含有量が５ｍｏｌ％未満であると、膜小胞１１０を***させるために必要なドメインの形成が不十分になることがあり、９５ｍｏｌ％を超えると、膜小胞１１０が有効に***しないことがある。

両性リン脂質１１２としては、特に限定されないが、ホスファチジルコリン、スフィンゴミエリン等が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、膜小胞１１０の***を誘起するために、カチオン性脂質との相分離を起こしやすいことが重要であることから、化学式

で表されるＤＭＰＣ（Ｄｉｍｙｒｉｓｔｏｙｌｐｈｏｓｐｈａｔｉｄｙｌｃｈｏｌｉｎｅ）が好ましい。

脂質二分子膜中の両性リン脂質１１２の含有量は、通常、５〜９５ｍｏｌ％であり、５０ｍｏｌ％程度であることが好ましい。この含有量が５ｍｏｌ％未満である場合及び９５ｍｏｌ％を超える場合は、膜小胞１１０が***しないことがある。

水溶液付与装置１２０としては、制御手段（不図示）を用いて、膜小胞１１０に、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１を所定のタイミングで所定量付与するように制御することが可能であれば、特に限定されず、自動滴定装置等の公知の装置を用いることができる。なお、水溶液付与装置１２０の代わりに、ピペット、滴下漏斗等を用いて、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１を膜小胞１１０に付与してもよい。

疎水性基を有するアニオン性物質としては、特に限定されないが、ピレン、アントラセン等の芳香族炭化水素から水素原子を除いた基を有するアニオン性物質等が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、化学式

で表されるピラニン（Ｐｙｒａｎｉｎｅ）が好ましい。

膜小胞１１０に付与する疎水性基を有するアニオン性物質の量は、カチオン性脂質１１１に対して、通常、０．１〜１０ｍｏｌ％であり、０．５ｍｏｌ％程度であることが好ましい。この量が０．１ｍｏｌ％未満である場合及び１０ｍｏｌ％を超える場合は、膜小胞１１０が***しないことがある。

以下、膜小胞***システム１００を用いて、膜小胞１１０を***させるメカニズムについて説明する。制御手段により、水溶液付与装置１２０から膜小胞１１０に、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１が所定量付与されると、アニオン性物質は、膜小胞１１０の脂質二分子膜中に存在するカチオン性脂質１１１と相互作用する。具体的には、アニオン性物質のアニオン性基とカチオン性脂質１１１のカチオン性基の間に静電的相互作用が発生し、アニオン性物質の疎水性基とカチオン性脂質１１１の疎水性基の間に疎水性相互作用が発生する。その結果、膜小胞１１０は、変形した後、***し、脂質二分子膜の一部を有する膜小胞１１０'が生成する（図３参照）。このとき、疎水性基を有するアニオン性物質として、水溶性物質を用いると、ＣＭＣを考慮しなくてもよいため、汎用的な条件で、膜小胞１１０を***させることができる。

なお、膜小胞１１０は、カチオン性脂質１１１と両性リン脂質１１２が混在する脂質二分子膜を有するが、脂質二分子膜は、カチオン性脂質１１１を含んでいれば、特に限定されず、両性リン脂質１１２を含んでいなくてもよい。また、脂質二分子膜は、コレステロールをさらに含んでいてもよく、脂質ラフトが形成されていてもよい。

一般に、膜小胞は、数十ｎｍ〜数十μｍまで様々な大きさのものを人工的に構築することができ、生細胞膜の主要な構成要素であるリン脂質以外に、合成脂質を用いても構築できることが知られている（例えば、Ｐ．Ｌｕｉｇｉ，ｅｔａｌ．，"ＧｉａｎｔＶｅｓｉｃｌｅｓ，"Ｃｈａｐｔｅｒ１−５，ＩＳＢＮ：０４７１９７９８６４，ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ＳｏｎｓＩｎｃ．，２０００参照）。

図４に、膜小胞１１０の変形例を示す。膜小胞１３０は、カチオン性脂質１１１及び両性リン脂質１１２が混在する脂質二分子膜及びシリコン製の成形体１３１を有する。このとき、膜小胞１３０も、膜小胞１１０と同様に、脂質二分子
膜中に、アニオン性物質と相互作用することが可能なカチオン性脂質１１１が存在するため、膜***システム１００に適用することができる。

なお、成形体１３１の材質は、シリコンに限定されず、ガラス等であってもよい。

本発明の膜小胞***システムは、膜小胞を用いる物質輸送系等に幅広く適用することができるが、以下、分子通信システムについて説明する。

図５に、本発明の分子通信システムの一例を示す。分子通信システム２００は、分子送信機としての、情報分子２１０が内包されている膜小胞２２０と、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１を膜小胞２２０に付与する水溶液付与装置１２０と、分子受信機としての、膜小胞２３０と、Ｃｕ^２＋の水溶液２４１を膜小胞２３０に付与する水溶液付与装置２４０と、抗菌ペプチドの水溶液２５１を膜小胞２３０に付与する水溶液付与装置２５０を有する。なお、膜小胞２２０及び２３０は、水中に存在する。

情報分子２１０としては、特に限定されないが、ＤＮＡ、イオン、ペプチド等が挙げられる。このとき、ＤＮＡは、塩基配列、ヘアピン構造、バルジ構造等の情報に符号化されている。また、イオンは、イオン種等の情報に符号化されている。さらに、ペプチドは、アミノ酸配列等の情報に符号化されている。

膜小胞２２０は、擬クラウンエーテルをスペーサとして有するジェミニペプチド脂質２２１が埋め込まれている以外は、膜小胞１１０と同様である。なお、膜小胞２２０は、水中で、カチオン性脂質１１１、両性リン脂質１１２及びジェミニペプチド脂質２２１を攪拌したり、超音波で分散させたりすることにより形成することができる。また、膜小胞２２０は、カチオン性脂質１１１、両性リン脂質１１２及びジェミニペプチド脂質２２１を、クロロホルム、メタノール等の有機溶媒に溶解させた溶液をガラスチューブ等に入れた後、有機溶媒を揮発させることにより得られる脂質フィルムに水を加えて膨潤させることにより形成することができる。

膜小胞２３０は、カチオン性脂質以外の脂質を含む脂質二分子膜を有し、擬クラウンエーテルをスペーサとして有するジェミニペプチド脂質２３１が埋め込まれている。カチオン性脂質以外の脂質としては、ホスファチジルコリン等のリン脂質、糖脂質等が挙げられる。なお、膜小胞２３０は、水中で、脂質を攪拌したり、超音波で分散させたりすることにより形成することができる。また、膜小胞２３０は、脂質を、クロロホルム、メタノール等の有機溶媒に溶解させた溶液をガラスチューブ等に入れた後、有機溶媒を揮発させることにより得られる脂質フィルムに水を加えて膨潤させることにより形成することができる。

水溶液付与装置２４０としては、制御手段を用いて、膜小胞２３０に、Ｃｕ^２＋の水溶液２４１を所定のタイミングで所定量付与するように制御することが可能であれば、特に限定されず、自動滴定装置等の公知の装置を用いることができる。なお、水溶液付与装置２４０の代わりに、ピペット、滴下漏斗等を用いて、Ｃｕ^２＋の水溶液２４１を膜小胞２３０に付与してもよい。

水溶液付与装置２５０としては、制御手段を用いて、膜小胞２３０に、抗菌ペプチドの水溶液２５１を所定のタイミングで所定量付与するように制御することが可能であれば、特に限定されず、自動滴定装置等の公知の装置を用いることができる。なお、水溶液付与装置２５０の代わりに、ピペット、滴下漏斗等を用いて、抗菌ペプチドの水溶液２５１を膜小胞２３０に付与してもよい。

以下、分子通信システム２００を用いて、分子通信する方法について説明する。制御手段により、水溶液付与装置１２０から情報分子２１０が内包されている膜小胞２２０に、疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１２１が所定量付与されると、膜小胞２２０は、変形した後、***し、情報分子２１０が内包されている膜小胞２２０'が生成する（図６参照）。生成した膜小胞２２０'は、拡散されるが、水流を形成して輸送してもよい。次に、制御手段により、水溶液付与装置２４０から膜小胞２２０'及び２３０に、Ｃｕ^２＋の水溶液２４１が所定量付与されると、膜小胞２３０の表面に膜小胞２２０'が会合する。さらに、制御手段により、水溶液付与装置２５０から会合した膜小胞２２０'及び２３０に、抗菌ペプチドの水溶液２５１が所定量付与されると、膜小胞２２０'及び２３０に、それぞれ微細孔が形成され、膜小胞２３０に情報分子２１０が取り込まれる。なお、抗菌ペプチドの水溶液２５１は、時間が経過すると共に、環境中に拡散するため、膜小胞２２０'及び２３０に形成された微細孔は、所定の時間が経過した後に閉じる。このとき、水溶液付与装置２４０、２５０と同様の水溶液付与装置から膜小胞２２０'及び２３０に、Ｋ^＋の水溶液を所定量付与して、膜小胞２３０及び膜小胞２２０'を離散させてもよい。

なお、ジェミニペプチド脂質２２１及び２３１の代わりに、アゾベンゼンから水素原子を除いた基をスペーサとして有するジェミニペプチド脂質を用いてもよい。この場合、制御手段により、水溶液付与装置２４０から膜小胞２２０'及び２３０に、Ｃｕ^２＋の水溶液２４１が所定量付与される代わりに、光照射装置から膜小胞２２０'及び２３０に、紫外線が所定量照射されると、膜小胞２３０の表面に膜小胞２２０'が会合する。このとき、光照射装置から膜小胞２２０'及び２３０に、可視光を所定量照射して、会合した膜小胞２３０及び膜小胞２２０'を離散させてもよい。

また、水溶液付与装置２５０を用いて、会合した膜小胞２２０'及び２３０に、抗菌ペプチドの水溶液２５１を付与して微細孔を形成する代わりに、Ｌａ^３＋の水溶液や二本鎖ＤＮＡの水溶液を付与して、膜小胞２２０'及び２３０を融合させてもよい。

０．３ｍＭのＮ^＋Ｃ_３Ｕ２Ｃ_１６クロロホルム溶液１ｍｌと、０．７ｍＭのＤＭＰＣクロロホルム溶液１ｍｌを混合した後に、クロロホルムを留去して薄膜を形成し、これに所定量の水を加えてインキュベートすることにより、膜小胞を作製した。次に、水溶液付与装置を用いて、２．５μＭのピラニン水溶液１０μｌを膜小胞溶液１０μｌに付与すると、膜小胞は、変形した後、***し、脂質二分子膜の一部を有する膜小胞が生成した（図７参照）。なお、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれピラニン水溶液を添加した直後、１０秒後、１５秒後及び２５秒後の膜小胞である。

１００膜小胞***システム１１０、１１０' 膜小胞１１１カチオン性脂質１１２両性リン脂質１２０水溶液付与装置１２１疎水性基を有するアニオン性物質の水溶液１３０膜小胞１３１成形体２００分子通信システム２１０情報分子２２０、２２０' 膜小胞２３０膜小胞２４０、２５０水溶液付与装置２４１Ｃｕ^２＋の水溶液２５１抗菌ペプチドの水溶液

Claims

カチオン性脂質を含む脂質二分子膜を有する第一の膜小胞と、
疎水性基を有するアニオン性物質を前記第一の膜小胞に付与する手段を有し、
前記第一の膜小胞に前記疎水性基を有するアニオン性物質を所定量付与することにより、前記第一の膜小胞の外部に、前記脂質二分子膜の一部を有する第二の膜小胞を***させることを特徴とする膜小胞***システム。
前記疎水性基を有するアニオン性物質は、ピラニンであることを特徴とする請求項１に記載の膜小胞***システム。
前記カチオン性脂質は、化学式
で表される化合物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の膜小胞***システム。
前記脂質二分子膜は、両性リン脂質をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜小胞***システム。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜小胞***システムを有する分子通信システムであって、
前記第一の膜小胞は、情報分子が内包されており、
前記第一の膜小胞に前記疎水性基を有するアニオン性物質を所定量付与することにより***した前記情報分子が内包されている第二の膜小胞を第三の膜小胞に輸送する手段と、
該輸送された第二の膜小胞に内包されている情報分子を該第三の膜小胞に取り込ませる手段をさらに有することを特徴とする分子通信システム。
カチオン性脂質を含む脂質二分子膜を有する第一の膜小胞に、疎水性基を有するアニオン性物質を所定量付与することにより、前記第一の膜小胞の外部に、前記脂質二分子膜の一部を有する第二の膜小胞を***させることを特徴とする膜小胞***方法。
前記疎水性基を有するアニオン性物質は、ピラニンであることを特徴とする請求項６に記載の膜小胞***方法。
前記カチオン性脂質は、化学式
で表される化合物を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の膜小胞分裂方法。
前記脂質二分子膜は、両性リン脂質をさらに含むことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の膜小胞***方法。
請求項６乃至９のいずれか一項に記載の膜小胞***方法を用いる分子通信方法であって、
前記第一の膜小胞は、情報分子が内包されており、
前記第一の膜小胞に前記疎水性基を有するアニオン性物質を所定量付与することにより***した前記情報分子が内包されている第二の膜小胞を第三の膜小胞に輸送する工程と、
該輸送された第二の膜小胞に内包されている情報分子を該第三の膜小胞に取り込ませる工程をさらに有することを特徴とする分子通信方法。