大阪大学産業科学研究所の川合知二特任教授・鷲尾隆教授・筒井真楠准教授・有馬彰秀特任助教(常勤)と、東京工業大学物質理工学院応用化学系の大河内美奈教授らの研究グループは、ナノポアセンサとペプチド工学を融合させることで、インフルエンザウイルスを1個レベルで認識することが可能な新規ナノバイオデバイスの開発に成功しました。

従来、ウイルス検査キットに用いられる認識分子 は、1対1の抗原抗体反応 に基づくものであり、その優れた分子選択性 を通して簡便な感染症診断を可能にする一方で、原理的に1種類の認識分子について、1種類の検出対象物にしか用いることができませんでした。

今回、川合特任教授らの研究グループは、ペプチド工学を駆使し、ナノポアセンサに適合したペプチドプローブ を合成しました。このペプチド分子は、従来のイムノクロマトグラフィー技術のコンセプトとは大きく異なり、あえてインフルエンザウイルスと弱い相互作用を示すものに設計しました。さらに、金薄膜で作製されたナノ細孔（ナノポア）を新たに開発し、その壁面にペプチドプローブを修飾しました。その結果、ナノポアを通るイオン電流　を計測するナノポア法を用いた単一ウイルス粒子検出において、ウイルス-ペプチドの分子間相互作用の度合いに応じたナノポア通過時間の延長に成功しました。加えて、機械学習によるパターン認識 技術をイオン電流 信号解析に応用することで、本デバイスがインフルエンザの型判定に有用であることを実証しました。この分子認識ナノポアセンサは、ポアの大きさを変えるだけでDNAから細菌まであらゆる対象物質に応用可能な原理を有することから、今後、1粒子・分子イムノクロマトグラフィー技術への広い展開が期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Journal of the American Chemical Society」に、平成30年11月26日（月）に公開されました。

図1　ウイルス認識ナノポアによる単一インフルエンザウイルス粒子検出

研究グループはこれまでに、認識分子を用いない従来の固体ナノポアによる計測と、機械学習によるシグナル解析を組み合わせることで、1個のインフルエンザウイルスの高精度識別に成功しています（DOI：10.1038/s41598-018-34665-4）。一方、この手法に、さらにイムノクロマトグラフィーのような検体認識技術を利用することで、特定の検体のポア通過時間(シグナル波幅)を延長することができ、これによりシグナル判別が容易なものになることから、さらなる高精度化が可能になると考えられていました。

しかし従来の簡易ウイルス検査キット等に応用されているイムノクロマトグラフィーでは、抗原抗体反応に基づく強力な分子選択性が利用され、その効果で簡便な分析が可能になる一方で、この技術をナノポアセンサにそのまま応用しようとすると、認識分子と検出対象物質間での強い吸着力によって、対象物はナノポア内を通過することなくポア内でトラップされてしまう、という弊害がありました。

そこで今回の研究では、この弊害を乗り越え、イムノクロマトグラフィー技術をナノポアセンサに応用するために、あえて検出対象ウイルスと弱く相互作用するペプチドプローブを設計・合成するとともに、ポア内壁へ当該プローブを固定しました。そして、ウイルス―ペプチド間でのわずかな分子間相互作用の差異を、ナノポア計測と機械学習で識別するという戦略を取ることで、ナノポアというナノ空間を活用した1粒子-少数分子間の認識に基づく新しいウイルス識別法の開発に成功しました。

本認識機構は1粒子-少数ペプチド分子間の相互作用に基づくことから、従来の多数の検体と多数の認識分子から脱却した、1粒子レベルの分析が可能なイムノクロマトグラフィー技術への展開が期待されます。

本研究成果は、2018年11月26日（月）に米国科学誌「Journal of the American Chemical Society」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Identifying Single Viruses Using Biorecognition Solid-State Nanopores”
著者名：Akihide Arima, Ilva Hanun Harlisa, Takeshi Yoshida, Makusu Tsutsui, Masayoshi Tanaka, Kazumichi Yokota, Wataru Tonomura, Jiro Yasuda, Masateru Taniguchi, Takashi Washio, Mina Okochi, and Tomoji Kawai

なお、本研究は、本研究は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の一環として実施したものです。