化学-生体分子工学

Paul Kenis Research

マイクロケミカルシステム：マイクロリアクター、マイクロ燃料セル、マイクロ流体ツール

Kenis Research Group

Kenis研究グループでは、マイクロスケールでの輸送現象を絶妙に制御する能力を活かし、タンパク質化学、細胞生物学を含む基本的な現象を研究し、エネルギー変換、化学合成、基礎生物学的研究などの新しい技術を開発しています。 これらの学際的な分野での研究を行うために、電気化学システムの特性評価、微細加工、マイクロ流体技術、輸送現象の解析-計算モデリング、各種分光法や顕微鏡などの分析-材料特性評価技術の中核的な専門知識を開発してきました。

現在、グループは以下の分野で研究プロジェクトを進めています。

1. 二酸化炭素変換および燃料電池用電気化学システム
2. タンパク質および医薬品の結晶化のためのマイクロ流体プラットフォーム
3. 細胞間および細胞内プロセスを研究するためのマイクロ流体プラットフォーム
4. 化学合成用マイクロリアクター
5. マイクロ流体の製造技術
6. 新興マイクロ流体バイオプロジェクト

1. 二酸化炭素変換と燃料電池のための電気化学システム

1a.CO2の電気化学的削減:

大気中のCO2レベルは着実に上昇しており、地球の気候に負の影 この上昇を抑制するためには、炭素の捕獲と隔離、よりクリーンな燃料への切り替え、再生可能エネルギー源の利用拡大、建物のエネルギー効率の向上など、多 付加価値化学物質またはその中間体へのCO2の電気化学的還元は、この課題に対処するためのもう一つのアプローチです。 このプロセスは、断続的な再生可能エネルギー源からの過剰な電力によって駆動することができ、それによって、過剰な断続的な再生可能エネルギーを さらに、CO2を化学生産の出発物質として利用することにより、社会の化石燃料への依存度を低減します。

CO2の電気化学的低減のためには、新規触媒の開発、適切な電解質の適用、電極構造と反応器設計の最適化を通じて、製品選択性、エネルギー効率、転化率 たとえば、セルの過電位を0未満に減少させました。１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸（ＥＭＩＭ Ｂ Ｆ４）を含有する水溶液を使用することにより、反応中間体を安定化させる（Ｒｏｓｅｎ ｅ ｔ ａ ｌ． 科学、2011）。 また、低Ag負荷時に高い触媒活性を示す銀系有機金属触媒を開発しました（Thorson et al.,J.Am. ケム Soc., 2012). 支持体材料として、Tio2は、AG粒径を最小化し、触媒活性を増加させるために使用され、その結果、CO2をCOに還元する性能を犠牲にすることなく、Ag負荷を ら、Ｃｈｅｍｓｕｓｃｈｅｍ、２ ０ １ ４）。 また、触媒層構造を設計することは触媒の利用および全面的な性能を最大にするためにアプローチを提供する。 自動化されたエアブラシ触媒蒸着法は、不要なH2の進化が抑制された間、触媒負荷が低減されたCO2削減に高い性能をもたらした（Jhong et al.、Adv.Energy Mater。, 2013).

現在、CO2を目的とする化学物質に電気化学的に変換するためのより良い触媒、電極、および運転条件に向けた研究を続けています。 この作品のいくつかは、他の人と共同で行われています: 九州の中島さんと、九州のリッチ-マセルさん。

1B.燃料電池:

(2) タンパク質や医薬品の結晶化のためのマイクロ流体プラットフォーム

タンパク質や医薬品の結晶化は、最適な結晶化条件のスクリーニングに必要な材料が大量にあるため、すぐに非常に高価になる可能性があります。 ナノリットルサイズの滴を利用できる自動化されたロボット結晶化スクリーニング装置の利用可能性にもかかわらず、必要な資本への大規模な投資は、そのような機器を少数の十分な資金を供給された実験室または結晶化センターにのみ実用的にする。 蛋白質および薬剤の結晶化のための私達のマイクロ流体のプラットホーム(i)試験ごとの少数のnanolitersを使用している間結晶化の条件の高効率のスクリー; そして（iii）は材料の適切な選択によって分析的な技術と互換性があります（例えば、X線、紫外線およびIRの高い伝達）。 透明なX線で、私達の破片は手動で水晶を収穫するステップをとばすデータ収集のためのX線ビームに直接取付けることができる。 当社のマイクロ流体プラットフォームは、結晶化の基礎科学（結晶播種、核形成および成長速度）だけでなく、タンパク質および製薬結晶化の両方の応用科学（構造解析、固体形態スクリーニング）の研究を可能にする。

2A.膜タンパク質結晶化:

膜タンパク質（MPs）は、細胞膜内に存在し、シグナル、エネルギー、および細胞の内外への材料伝達のメディエーターとして作用する。 驚くことではないが、膜タンパク質の機能不全は、多数の疾患に関連している（Quick and Javitch、PNAS、2007）。 したがって、MPsは一般的な薬物標的である。 種々の分析により、Ｍｐは、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓａｅ、およびＨｏｍｏ ｓａｐｉｅｎｓのゲノム中にコードされるタンパク質のほぼ３ ０％を構成することが示されている（Ｓｅｄｄｏｎ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、Ｂｂａ−Ｂｉｏｍｅｍｂｒａｎｅｓ，２ ０ ０ ４）。 細胞における圧倒的優位性にもかかわらず、Mpsはタンパク質データバンクに寄託されたタンパク質構造の1%未満を占めている。 膜タンパク質の構造決定は、低存在量とその固有の両親媒性のために十分な量のタンパク質を得ることが困難であり、その後の結晶化が困難であ 私たちのグループでは、surfoとメソMP結晶化のためのX線透明マイクロ流体プラットフォームを開発しました。 さらに、我々の研究は、脂質立方相図とマイクロシードマトリックススクリーニング、膜タンパク質のための二つの強力なまだ一般的にアクセスできない結晶化技術の研究を可能にするX線透明プラットフォームが含まれています。 私たちの研究の全体的な目標は、X線分析と構造解明のために、大きく秩序のある（”回折品質”）結晶を結晶化することです。 私たちは、いくつかのターゲットを結晶化し、チップのみで収集されたデータを使用してその構造を解決してきました現在の努力は、教授と共同で呼吸膜 ロバート-ジェニス生化学部門

2b.候補医薬品の固体形態スクリーニング:

医薬品創薬の初期段階では、科学者は、後に医薬品開発パイプラインを通過することができる適切な物理的および化学的性質(すなわち、溶解性、生物学的利用能、安定性)を有する活性医薬成分(Api)の固体形態を検索する。 残念なことに、従来のスクリーニング手順（ウェルプレート）を使用して最適化された特性を有するAPIの結晶性固体形態を見つけることの成功は、創薬の初期段階で利用可能なAPIの少量によって制限されている。 この問題に対処するために、我々は、（i）固体形態スクリーニングに必要な活性医薬成分（Api）の量を削減すること、（ii）固体形態スクリーニングプラットフォームと分析機器との間の互換性を高めること、および（iii）固体形態スクリーニングへのマイクロ流体アプローチが新しい固体形態の解明を可能にするかどうかを決定することを目的として、医薬品固体形態スクリーニングのためのマイクロ流体プラットフォームを開発した。 我々は、自由な界面拡散に基づいてマイクロ流体プラットフォームを検証している（Thorson et al. ら、ＬＯＣ，２ ０ １ １）および制御された蒸発（Ｇｏｙａｌ ｅ ｔ ａ ｌ．、LOC、2013）は、従来の蒸発ベースの固体形態スクリーニング実験と同等の結果を得て、固体形態スクリーニング条件ごとに必要なAPIの量を一桁（各条件について5mgから5μ g）減少させる。 サンプル量の減少は科学者がAPIの最低量が利用できるとき創薬プロセスの固体形態スクリーンを先に行うことを可能にし新しい固体形態の発見を 我々は、結晶性固体の容易な同定を可能にする光学的に透明であること、および固体形態のオンチップ同定を可能にするラマン分光法およびX線回折に最小の信号を示すようにマイクロ流体プラットフォームを設計した（Goyal et al.、クライス… 成長&, 2012). 現在、マイクロ流体プラットフォームを活用して回折品質の結晶を成長させることにより、未知の共結晶の結晶構造の解明に向けた研究を進めています。 この作品はAbbVieと共同で制作されています。

(3)細胞研究のためのマイクロ流体プラットフォーム

マイクロ流体プラットフォームは、従来のペトリ皿または井戸プレートベースの技術と比較して、細胞および細胞間プロセスの研究を容易にするいくつかの特性を提供する。 例としては、高度に制御された環境で単一の細胞を研究する能力、空間と時間における細胞微小環境に対する優れた制御、および異なるタイプの顕微鏡との便利な統合が挙げられる。 私たちのグループでは、以下のアプリケーションのためのマイクロ流体プラットフォームを開発しています：

3a。 抗生物質感受性試験：

臨床感染症の効果的な治療は、感染する病原体の抗生物質に対する感受性を同定するために患者サンプルを迅速にスクリーニングする能力に非常に依存している。 抗生物質感受性試験（AST）のための既存の方法は、長い応答時間（日）、過剰なサンプルおよび試薬の消費、貧しい検出感度、および限られた組み合わせ能力を これらの要因は、適切な抗生物質の適時投与を排除し、感染の管理を複雑にし、抗生物質耐性の発症を悪化させる。

これらの問題に対処するために、我々は、より高い検出感度、迅速な結果（<6時間）、試薬の消費量の削減、およびより定量的な結果を含む、従来の方法と比較していくつかの利点を提供するASTのためのマイクロ流体プラットフォームを開発しています。 例えば、教授との共同で。 Schroeder我々は、異なる抗生物質に対する大腸菌、緑膿菌、K.pneumoniaeなどの様々な病原性細菌の感受性を研究するために私たちのマイクロ流体プラットフォームを使用しています(Mohan et al. バイオセンスバイオセンスバイオ &, 2013). また、このプラットフォームを使用して、異なる種の細菌（多菌培養物）間の相互作用と、これらの相互作用が抗生物質感受性に及ぼす影響を研究しました。 現在、我々は与えられた感染症を治療するための最良の方法に向けてより良い情報を提供するために、薬物動態-薬力学（PK/PD）モデリングのために得られた

3b.制御された酸素条件下での細胞の研究:

腫瘍がローカル管の建築から外向きに育つと同時に可変的な低酸素の(sub-physiologicティッシュの酸素処理)領域の形成は固体固まり中起こる。 これらの低酸素領域は、治療抵抗性、代謝リプログラミング、および上皮間葉移行と関連している。 これらの結果に対する低酸素症の影響については多くの疑問が残っていますが、酸素濃度の正確な制御と細胞挙動のリアルタイムイメージングの両方を可能にする方法はほとんどありません。 マイクロ流体プラットフォームは、時間的および空間的な化学的条件を制御するために、リアルタイムのイメージングを可能にしながら、酸素濃度を制御するのに特に適しています。 局所微小環境の制御に加えて、従来の方法と比較してマイクロ流体プラットフォームにおける長さスケールの減少は、より短い平衡時間を提供する。 マイクロ流体プラットフォームの利点を利用して、我々は0.5％から21％まで酸素濃度を制御することができるアレイデバイスを開発しました。 Rex Gaskins教授（動物科学専攻）と共同で、これらのプラットフォームを利用して、低酸素下での癌細胞におけるオルガネラの酸化還元電位のリアルタイム変化を研究しています。

(4)マイクロリアクターにおける化学合成

マイクロリアクターは、従来の”ウェットラボ”アプローチと比較して、化学合成の研究と実際の実行にいくつかの利点 例えば、より小型で正確に設計されたプラットフォームは、熱と物質の移動を強化し、試薬の消費を削減し、自動化に適しています。 私たちのグループでは、以下のアプリケーションのためのマイクロリアクターを開発しています：

4a.放射性医薬品の合成:

放射性医薬品は、特定の種類の癌および心臓病を含むいくつかの疾患および障害の診断および治療に使用される薬物のクラスである。 これらの薬物の合成のための前駆体の量は、限られた利用可能性、高いコスト、および安全に取り扱うことができる放射能の量の上限のために、典型的には少量（数マイクロリットル）である。 従来の”ウェットラボ”法では、低試薬量を効率的に操作できないことは、臨床応用のための低品質の薬物の合成につながるだけでなく、新薬の開発を妨げ 私たちは、これらの放射性医薬品の合成のためのマイクロ流体技術、またはより良いマイクロリアクターを開発することによって、これらの問題に対 異なるマイクロ流体モジュールを統合することにより、我々は、これらの化合物がはるかに確実に、より高い収率で作ることができることを

我々は、マイクロ流体技術が、反応収率の改善、試薬の消費量の削減、自動化の容易さなど、従来の方法と比較して、各ステップにいくつかの利点を提供することを示している(Goyal et al.& Ｂ，２ ０ １ ４；Ｈａｉｒｏｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、ＬＯＣ，２ ０ １ ４；Ｈａｉｒｏｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．、バイオコニ… ケム ら、２ ０ １ ４；Ｚｅｎｇら、２ ０ １ ５；Ｓａｎ ｅ ｔ ａ ｌ．、Nuc。 メッド & ら、２ ０ １ ３；Ｗｈｅｅｌｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ．,LOC,2010)。 現在、マイクロリアクターをさらに最適化し、臨床および研究用の統合システムを開発しています。 このプロジェクトは、教授と共同で行われています。 ワシントン大学、セントルイスの放射線化学の部門のDavid Reichertの研究グループ。

4b.量子ドット合成のためのマイクロリアクター:

蛍光半導体ナノ粒子は，従来の蛍光体技術よりも有意に高い光ルミネセンスと良好なスペクトル挙動のために，固体照明および表示技術において有望である。 これらのナノ粒子は、医用画像処理や量子計算にも潜在的な用途を持っています。 高生産コスト高品質の製造のための信頼性の高い方法の欠如のために、単分散ナノ粒子は現在、それらの広範な使用を大幅に阻害する。 従来のバッチ合成法は、特にナノ材料の品質のバッチ間の変化に苦しんでいる。 遅い熱および物質移動のためのバッチ合成は、ナノ粒子のサイズ、形態および組成を正確に制御する能力を欠いている。 連続的な流れリアクターはこれらの問題に潜在的な解決を提供する。 Kenisグループの努力は、組成と形態が異なる高品質の半導体ナノ粒子を合成するために、高温での高速混合と加熱時間を与える高スループット連続反応器の開発に焦点を当てています。 例えば、連続流動反応器の一つを用いてナノロッドの合成に成功しました（図参照）。 私たちは、cdを含むシステムとCdを含まないシステムの両方を研究しており、市販品に匹敵する60％の量子収率に達しています。

(5)マイクロ流体の製造技術

私たちの研究グループでは、マイクロ流体デバイスの開発を進めるために様々な製造技術を探求しています。 この分野の焦点は、マイクロ流体とエンドアプリケーションとの統合を容易にすることです。 現在、

5a.デバイスの携帯性とスケールアウトを強化するためのマイクロ流体部品の研究を進めています:

very large scale integration(VLSI)マイクロ流体の出現により、単一チップ上で超並列動作を行うマルチステップおよびハイスループットアプリケーションが可能になりました。 これらの進歩の鍵は、ソフトリソグラフィー技術で製造された空気圧マイクロバルブの開発でした。 多様な適用のためのマイクロ流体の破片のこのような空気のmicrovalveの巧妙な統合にもかかわらず、これらのmicrovalveはこれらのマイクロ流体の破片のスケーラビ これらの問題には2つの方法で対処しています:

ノーマルクローズ(NC)バルブアーキテクチャの使用バルブアーキテクチャ:従来のノーマルオープン(NO)バルブを使用しているデバイスは、これらのバルブが作動のためにかさばる補助(ポンプ、窒素ガスボンベ、空気圧周辺機器)を必要とするため、動作のために連続的な閉じた状態を必要とするアプリケーションでは、移植性が制限されています。 NC弁は限られた可搬性の上記の限定にだけでなく、演説しますが、またマイクロ流体装置に製作および統合の容易さを保ちます。 NCバルブの統合を可能にするために、我々は、作動圧力を最小化し、これらのバルブの製造を容易にすることを目的とした最適なNCバルブを開発するための設計規則を策定するために、解析的および計算モデリング、および体系的な実験の組み合わせを使用した(Mohan et al.& B、2011）。 図は、異なる微小バルブ形状（直線、v字形、および対角）に対する流体チャネルの幅の関数として必要とされる作動圧力を示しています。 本発明者らは、タンパク質–抗体相互作用ウイルス検出、タンパク質結晶化、固体形態スクリーニング、および他の用途の探索など、様々な用途にこれらのバル ら、ＬＯＣ，２ ０ １ １；Ｔｈｏｒｓｏｎ ｅ ｔ ａ ｌ． ら、Ｃｒｙｓｔｅｎｇｃｏｍｍ，２ ０ １ ２；Ｇｕｈａ ｅ ｔ ａ ｌ．、Sens、&Act. Ｂ，２ ０ １ ２；Ｍｏｈａｎ ｅ ｔ ａ ｌ．、バイオセンス。 & ら、２ ０ １ ３；Ｔｉｃｅ ｅ ｔ ａ ｌ．、JMEMS、2013）。

空気のmicrovalvesを取り替えるか、または補う静電気のmicrovalvesの使用: 静電気の作動に基づく私達のmicrovalvesは5µ mの膜thicknesses™のための小さい足跡（1）を、保つ。 設計パラメータ空間は、流体チャネル内の空気（暗い）、油（斜線）、または水（明るい）の存在について推定されます。 私達が探検しているもう一つの興味深い適用は空気のmicrovalvesを制御する静電気のmicrovalvesの使用である。 空気および静電気のmicrovalvesのこの組合せは”破片実験室”よりもむしろ”実験室破片”の目的の実現の補助者および援助を非常に簡単にします。

新しい材料および製造プロセス:

ポリ（ジメチルシロキサン）またはPDMSは、主にPDMSの使用は、複雑さの様々な程度のデバイスの簡単、迅速かつ安価な製造を可能にするため、マイクロ流体デバ しかし、PDMSにはいくつかの制限があり、重要なものは広範囲の有機溶媒および分析技術との不適合性です。 私たちの研究グループでは、マイクロ流体デバイスを製造するためのPDMSの代替として、様々な高分子材料を探索しています; これらの材料のいくつかはチオレン、環状オレフィン共重合体およびテフロンです。 これらの材料を使用して、X線やラマンなどのさまざまな有機溶媒や分析技術と互換性のあるマイクロ流体デバイスを開発しました。 我々はまた、異なる材料の利点を組み合わせたハイブリッドデバイスは、一つまたは二つの材料を含むデバイスに優れた代替であることを示し

(6)新興マイクロ流体”バイオ”プロジェクト

6a.時間分解FTIR分光法のためのマイクロ流体プラットフォーム:

私たちの全体的な目標は、生体分子反応または相互作用の時間分解フーリエ変換赤外（FT-IR）分光法のための革新的なマイクロ流体技術を開発するこ タンパク質の折り畳み、酵素触媒作用、およびタンパク質-リガンド相互作用は、健康な細胞および組織を維持するために重要である。 多くの慢性または遺伝的疾患の根は、タンパク質におけるそのような反応の機能不全、例えばアルツハイマー病における誤った折り畳まれたベータアミロイドペプチドによるプラーク形成にまでさかのぼることができる。

分子レベルおよび分子間レベルでの反応メカニズムを明らかにするための調査は、合理的な薬物設計からだけでなく、そのテストに新しい治療法を開 フーリエ変換赤外（FTIR）分光法は、外因性標識の非要件、簡単なサンプル調製、および情報の範囲（高分解能分子の詳細から低分解能タンパク質-タンパク質相互作用）の容易な取得を含む、他の分光法技術と比較していくつかの利点を提供する。

しかし、現在のFTIRフローセルのいくつかの制限は、時間分解能の低さ、コスト、および大量のサンプル量の要件を含む、FTIRの広範な使用を妨げています。 私たちは、低コストでIR透明な材料からマイクロ流体FITRフローセルを開発することによって、これらの問題に対処します。 ユビキチンを用いた予備的な結果は、我々のアプローチを検証し、我々は臨床的に関連するタンパク質を用いた実験を行うためのフローセルを最適化してい このプロジェクトは、生物工学部門のRohit Bhargava教授と共同で行われています。

6b.膵島移植プロセスを改善するためのマイクロ流体技術:

糖尿病は、2580万人のアメリカ人（人口の8％）に影響を与える壊滅的な病気です。 ヒト膵島移植はｉ型糖尿病（TIDＤＭ）に対する有望な治療法である。 しかし、この手順はあまり再現性がなく、一貫性がありません。 膵島移植の転帰を改善するためには、いくつかの臨床的、生物学的、工学的な問題に対処する必要があります。 私たちの研究グループでは、ドナー膵臓からの膵島の単離中の最適条件の維持、膵島の単離-分離プロセスの自動化、移植プロセス中の膵島の生存率と機能の保 このプロジェクトは、イリノイ大学シカゴ校のJose Oberholzer教授の移植手術部門の研究グループと共同で行われています。

6c.凍結クエンチEPR研究のためのマイクロ流体プラットフォーム:

多くの生化学反応における興味深い現象のほとんどは、反応の最初の数ミリ秒、例えば、シトクロムbc1複合体によって媒介されるATP合成の間に起こ これらの初期段階の中間生成物の構造的および機能的研究は、これらの反応のメカニズムを解明するだけでなく、これらの反応の機能不全に関連する疾患および障害を治療するための薬物の合理的な設計を可能にする。 凍結クエンチ電子常磁性共鳴（EPR）は、これらの反応を研究するための強力な技術であり、これらの反応の中間生成物を急速に凍結してさらなる反応を しかし、凍結クエンチEPRのための現在の装置の制限、主に試薬の遅い混合は、超高速生化学反応を研究するために、この技術の適用を妨げています。 私たちの研究グループでは、試薬の急速な混合（-20μ s）とその後の凍結銅ホイールセットアップ上の超薄型ジェットの形で混合試薬の吐出のためのマイクロフ 我々は、モデル生化学反応でこのアプローチを検証しており、臨床的に関連する生化学反応の適用を模索しています。 このプロジェクトは、バイオケミストリー学科のTony Crofts教授と共同で行われています。

6d.医薬品-標的相互作用の決定:

生物学のすべて、および薬理学のすべての拡張によって、タンパク質と他の分子との相互作用に依存する。 スピン標識（SLEPR）と組み合わせた電子常磁性共鳴（EPR）は、in vitroまたはin vivoで、リアルタイムでこのような相互作用を検出し、生物学の最小限の摂動で、結合していないタンパク質への結合の比率を追跡するために使用することができます。 これにより、医薬品がその生物学的標的および関連する生化学系に及ぼす影響を直接研究するための理想的なツールとなり、薬剤候補の有効性および毒性の初期段階の開発予測の精度を向上させることができる。 しかし、EPR分光計で必要とされる小さなサンプルの調製のための現在の湿式ラボ法は、無駄で、不正確で、遅い（24時間以上かかる）傾向があります。 私たちのグループでは、タンパク質を迅速かつ正確に標識するためのデバイスを開発し、マイクロ流体チップの組み合わせの性質を最大限に活用して、複数の濃度で、またはさまざまなパートナーと一連のサンプルを作成し、必要に応じてオンチップの細胞培養を組み込んでいます。 このプロジェクトはNew Liberty Proteomicsと共同で行われています。