木を見て森も見る：生体分子の指紋で細胞の個性を大規模計測

　東京大学大学院理学系研究科の平松光太郎助教、井手口拓郎講師、合田圭介教授らは、毎秒1,000細胞以上のスループットでラマン分光による分子指紋の測定が可能な新しい大規模1細胞解析法を開発しました。ラマン分光法は分子による光の非弾性散乱を測定する分析手法で、細胞を染色せずに測定できることから細胞生物学の新しいツールとして注目を集めています。本研究では、マイクロ流路を流れる多数の細胞に含まれる生体分子の指紋を測定することで、個々の細胞の個性に注目しつつ多数の細胞を生きたまま解析する“木を見て森も見る”細胞解析を実現しました。これまでに合田教授らによって開発されてきた世界最高速の広帯域ラマン分光測定技術とマイクロ流体工学の技術との融合によって、従来の広帯域ラマン分光法を用いた1細胞解析法と比べ1,000倍程度の高速化を実現し、分子指紋に基づく大規模1細胞解析が可能になりました。それにより、多数の微細藻類中の代謝を1細胞レベルで解析し、同じ条件下で培養しても代謝生成物の含有量が細胞ごとに大きく異なっていることを見出しました。本研究成果によって、細胞に有用性物質の産生を担わせるスマートセル産業における生産性向上や、リキッドバイオプシー・血液検査による種々の疾病の発見などさまざまな応用が期待されます。
　本研究は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）のうち、合田圭介プログラム・マネージャーの研究開発プログラム「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」の一環として実施されました。
　本研究チームは、平松光太郎（東京大学大学院理学系研究科スペクトル化学研究センター助教）、井手口拓郎（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻講師）、与那嶺雄介（北海道大学理学部助教）、SangWook Lee（東京大学大学院理学系研究科化学専攻特任助教）、Yizhi Luo（研究当時：東京大学大学院理学系研究科化学専攻修士課程）、橋本和樹（研究当時：東京大学大学院理学系研究科化学専攻修士課程）、伊藤卓朗（科学技術振興機構）、長谷美佐（東京大学大学院理学系研究科化学専攻技術補佐員）、Jee-Woong Park（研究当時：東京大学大学院理学系研究科化学専攻博士研究員）、笠井宥佑（名古屋大学大学院工学研究科博士課程）、佐久間臣耶（名古屋大学大学院工学研究科助教）、早川健（中央大学理工学部助教）、新井史人（名古屋大学大学院工学研究科教授）、星野友（九州大学大学院工学研究院准教授）、合田圭介（東京大学大学院理学系研究科化学専攻教授）で構成されています。
　本研究成果は、2019年1月16日（米国時間）にアメリカ科学振興協会（American Association for the Advancement of Science）のジャーナル「Science Advances」のオンライン版で公開されました。

図1. 本研究で開発した無標識フローサイトメーターの概念図
大規模な細胞集団に含まれる生体分子のラマンスペクトル（分子の指紋）を高速に測定する。

図2. 本研究で開発した無標識フローサイトメーターの模式図
パルス光ペアを用いて細胞内の生体分子が振動する様子を時間的に追跡する。パルス光の間隔を高速に走査することで1秒間に24,000回のラマンスペクトル測定が可能となる。ピエゾ素子からの音響光学波を用いることでマイクロ流路の中心を細胞が流れるように調整し、個々の細胞にパルス光ペアを集光することで細胞内分子の測定を行う。

図3. ユーグレナの高速・無標識1細胞解析の様子
マイクロ流路中を高速（20 cm/s）に流れるユーグレナの1細胞ラマン測定の様子。矢印で示した測定部に細胞がやってくると、対応するスペクトル上でユーグレナの細胞内分子であるクロロフィル（光合成において光エネルギーを補足し化学エネルギーに変換する分子）に特徴的なラマン信号が現れている。1秒間の間に1,555細胞のラマンスペクトルの取得を実現している。