エレクトロポレーション技術の開発と外来分子導入機序の解明
細胞や生体に電界を極短時間作用させると、細胞膜に一時的な穴を開けることができます。この現象はエレクトロポレーション（electroporation）と呼ばれ、通常は細胞膜を通過できない外来物質を細胞内に導入することを可能にします。エレクトロポレーションは遺伝子導入技術として確立されており、基礎研究における生命現象の解明だけでなく、医療や農林水産分野でも広く応用されています。現在までに様々な外来分子導入技術が開発されていますが、それぞれに長所と短所があります。今後の課題として、細胞生存率と遺伝子導入効率の両立を図りながら、安全性の向上とコスト削減を実現することが求められています。
本研究室では、従来のアプローチとは異なる電気的分子導入法を開発しました。具体的には、絶縁油中に設置した電極対の間に、細胞と外来分子を内包した水滴を配置し、数kV/cmの直流高電界を印加することで、水滴内部の細胞に穿孔を生じさせる手法です。この方法は細胞の種類によって生存率や遺伝子導入効率に差異があるものの、市販のエレクトロポレーターと同等の性能を示しています。さらに、この独自開発の技術に加えて、従来型のエレクトロポレーションについても、そのメカニズム解明や性能向上に向けた研究を進めています。
大気圧低温プラズマ照射に対する細胞応答と生体分子損傷の解析
プラズマとは、固体・液体・気体に続く第4の物質の状態であり、気体の一部または全部が電離してイオンと自由電子が共存している状態です。なかでも大気圧低温プラズマは、電子温度のみが高く、イオンや中性粒子の温度が低い非熱平衡プラズマであり、熱をほとんど発生せずに反応性の高い活性種を生成できるという特徴があります。このことから、大気圧低温プラズマの医療応用が盛んに研究されており、がん治療、止血、臓器癒着防止などへの応用が期待されています。プラズマ照射に伴って生成した活性酸素 (活性種)が細胞を刺激しさまざまな治療効果を示していると考えられていますが、その原理はまだ十分にわかっていません。
このことから、本研究室では大気圧プラズマ照射に対する細胞応答や生体分子への影響について解析しています。細胞にプラズマを照射すると酸化ストレスが生じ、細胞死などさまざまな生命現象を惹起することが明らかになってきました。このとき直接的に影響を受けるのは細胞を構成する生体高分子です。なかでも核酸は遺伝情報の伝達などを担う重要な生体分子であることから、プラズマ照射によって生じるDNA損傷を中心に研究を進めています。
1分子DNAの観察・操作・計測
1分子DNAを観察する方法としては、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡を用いる方法などがありますが、蛍光色素でDNAに目印をつけると、蛍光顕微鏡視野内ではその目印を頼りに水溶液中のDNAを容易に観察することができます。水溶液中でDNAはブラウン運動により尺取虫のように形を変えていて、その様子をビデオカメラで捉えることが可能です。このようにして可視化した1分子DNAを解析しやすいように引き伸ばしたり、DNA (紐)の末端だけを固定したりする1分子操作が可能です。この操作は表面処理や光ピンセット、マイクロ流路など様々な要素技術を組み合わせることにより実現されます。また、DNAは一様に負の電荷を帯びており、静電気力による操作も可能です。この技術を使うと、DNA-タンパク質間相互作用を1分子レベルで解析することができます。
栗田 弘史 Hirofumi KURITA
櫛引 誠二 Seiji KUSHIBIKI (2年)
大野 旭登 Akito ONO (1年)
長谷川 光 Hikaru HASEGAWA (4年)
2024年度 (2025年3月) 博士前期課程修了 : 北嶋 侃・鹿田 開世 学部卒業：牧原 孝佑
53) N. Kitajima, K. Makihara, and H. Kurita, "On the synergistic effects of cold atmospheric pressure plasma irradiation and electroporation on cytotoxicity of HeLa cells," International Journal of Molecular Sciences, Vol. 26, 1093 (12 pp.), Jan. 2025.[MDPI]
52) Y. Tsurusaki, Y. Watanabe, R. Numano, T. Shibata, and H. Kurita, "Influence of DNA characteristics on cell membrane damage stimulated by electrical short-circuiting via a low-conductive aqueous droplet in dielectric oil," PLOS ONE, Vol. 18, e0285444 (16 pp.), May 2023.[PLOS]
51) S. Arai, K. Bidbayasakh, A. Fukuda, K. Takashima, and H. Kurita, "Oxidative modification in nuclear and mitochondrial DNA and its removal in A549 human lung cancer cells exposed to cold atmospheric-pressure plasma," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 61, 096003 (8 pp.), Sept. 2022.[IOP]
50) Y. Watanabe, H. Nihonyanagi, R. Numano, T. Shibata, K. Takashima, and H. Kurita, "Influence of electroporation medium on delivery of cell-impermeable small molecules by electrical short-circuiting via an aqueous droplet in dielectric oil: A comparison of different fluorescent tracers," Sensors, Vol. 22, 2494 (13 pp.), Mar. 2022.[MDPI]
49) P. Attri, H. Kurita, K. Koga, and M. Shiratani, "Impact of reactive oxygen and nitrogen species produced by plasma on Mdm2-p53 complex," International Journal of Molecular Sciences, Vol. 22, 9585 (15 pp.), Sept. 2021.[MDPI]
48) N. Harada, Y. Hirose, S. Chihong, H. Kurita, M. Sato, J. Onodera, K. Murata, and F. Itoh, "A novel characteristic of a phytoplankton as a potential source of straight‑chain alkanes," Scientific Reports, Vol. 11, 14190 (12 pp.), July 2021.[Springer Nature]
47) N. Gaur, H. Kurita, J.-S. Oh, S. Miyachika, M. Ito, A. Mizuno, A. J Cowin, S. Allinson, R. D Short, and E. J Szili, "On cold atmospheric-pressure plasma jet induced DNA damage in cells," Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 54, 035203 (11 pp.), Jan. 2021.[IOP]
46) H. Kurita, H. Nihonyanagi, Y. Watanabe, K. Sugano, R. Shinozaki, K. Kishikawa, R. Numano, and K. Takashima, "Mechanistic studies of gene delivery into mammalian cells by electrical short-circuiting via an aqueous droplet in dielectric oil," PLOS ONE, Vol. 15, e0243361 (18 pp.), Dec. 2020.[PLOS]
45) H. Kurita, Y. Minamijima, and K. Takashima, "Characterization of intracellular reactive species production stimulated by cold atmospheric pressure plasma irradiation," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, Vol. 14, e03003 (9 pp.), Dec. 2020.[IJPEST]
44) H. Kurita, N. Haruta, Y. Uchihashi, T. Seto, and K. Takashima, "Strand breaks and chemical modification of intracellular DNA induced by cold atmospheric pressure plasma irradiation," PLOS ONE, Vol. 15, e0232724 (15 pp.), May 2020.[PLOS]
43) T. Ishino, H. Kurita, R. Kirisawa, Y. Shimamoto, R. Numano, and H. Kitamura, "Introduction of a plasmid and a protein into bovine and swine cells by water-in-oil droplet electroporation," Journal of Veterinary Medical Science, Vol. 82, pp. 14-22, Jan. 2020.[J-STAGE]
42) K. Ogawa, J.-S. Oh, N. Gaur, S.-H. Hong, H. Kurita, A. Mizuno, A. Hatta, R. D. Short, M. Ito, and E. J. Szili, "Modulating the concentrations of reactive oxygen and nitrogen species and oxygen in water with helium and argon gas and plasma jets," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 58, SAAB01 (9 pp.), Feb. 2019.[IOP]
41) K. Takashima, H. Kohno, A. Katatani, H. Kurita, and A. Mizuno, "Two-stage electrostatic precipitator using induction charging," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 51, 174002, Apr. 2018.[IOP]
40) S. Takahashi, S. Motooka, S. Kawasaki, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, F. Hanaoka, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura, "Direct single-molecule observations of DNA unwinding by SV40 large tumor antigen under a negative DNA supercoil state," Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, vol. 36, pp. 32-44, Jan. 2018.[Taylor & Francis]
39) E. Szili, N. Gaur, S.-H. Hong, H. Kurita, J.-S. Oh, M. Ito, A. Mizuno, A. Hatta, A. Cowin, D. Graves, and R. Short, "The assessment of cold atmospheric plasma treatment of DNA in synthetic models of tissue fluid, tissue and cells," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 50, 274001 (15 pp.), July 2017.[IOP]
38) H. Kurita, J. Miyamoto, S. Miyachika, Y. Uchihashi, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Production of reactive oxygen and nitrogen species in a cell culture medium exposed to an atmospheric pressure plasma jet," MRS Advances, vol. 2, pp. 987-993, May 2017.[MRS]
37) H. Kurita, Y. Takao, K. Kishikawa, K. Takashima, R. Numano, and A. Mizuno, "Fundamental study on a gene transfection methodology for mammalian cells using water-in-oil droplet deformation in a DC electric field," Biochemistry and Biophysics Reports, vol. 8, pp. 81-88, Dec. 2016.[ScienceDirect]
36) J.-S. Oh, E. J. Szili, N. Gaur, S.-H. Hong, H. Furuta, H. Kurita, A. Mizuno, A. Hatta, and R. D. Short, "How to assess the plasma delivery of RONS into tissue fluid and tissue," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 49, 304005 (13 pp.), Aug. 2016.[IOP]
35) H. Kurita, S. Miyachika, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Use of molecular beacons for the rapid analysis of DNA damage induced by exposure to an atmospheric pressure plasma jet," Applied Physics Letters, vol. 107, 263702 (5 pp.), Dec. 2015.[AIP]
34) H. Kurita, S. Takahashi, A. Asada, M. Matsuo, K. Kishikawa, A. Mizuno, and R. Numano, "Novel parallelized electroporation by electrostatic manipulation of a water-in-oil droplet as a microreactor," PLOS ONE, vol. 10, e0144254 (15 pp.), Dec. 2015.[PLOS]
33) S. Takahashi, S. Motooka, T. Usui, S. Kawasaki, H. Miyata, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura, "Direct single-molecule observations of local denaturation of a DNA double helix under a negative supercoil state," Analytical Chemistry, vol. 87, pp. 3490–3497, Mar. 2015.[ACS]
32) K. Sano, H. Kurita, T. Nakajima, M. Shimizu, M. Kuzumoto, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Evaluation of reactive oxygen species in non-thermal plasma-treated water," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 8, pp. 149-153, Sept. 2014.[IJPEST]
31) K. Yamasaki, H. Hayashi, M. Kuzumoto, H. Kurita, K. Takashima, and A. Mizuno, "Ammonia generation using electric discharge plasma generated in steam," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 8, pp. 113-116, Sept. 2014.[IJPEST]
30) S. Takahashi, T. Usui, S. Kawasaki, H. Miyata, H. Kurita, S. Matsuura, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura, "Real-time single-molecule observations of T7 exonuclease activity in a microflow channel," Analytical Biochemistry, vol. 457, pp. 24-30, July 2014.[ScienceDirect]
29) H. Kurita, M. Shimizu, K. Sano, T. Nakajima, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Radical reaction in aqueous media injected by atmospheric pressure plasma jet and protective effect of antioxidant reagents evaluated by single-molecule DNA measurement," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 53, 05FR01A (4 pp.), May 2014.[IOP]
28) Y. Tanaka, H. Yasuda, H. Kurita, K. Takashima, and A. Mizuno, "Analysis of the inactivation mechanism of bacteriophage φX174 by atmospheric pressure discharge plasma," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, pp. 1397-1401, Mar.-Apr. 2014.[IEEE Xplore]
27) S. Takahashi, S. Kawasaki, H. Miyata, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura, "A new direct single-molecule observation method for DNA synthesis reaction using fluorescent replication protein A," Sensors, vol. 14, pp. 5174-5182, Mar. 2014.[MDPI]
26) S. Takahashi, S. Kawasaki, K. Yamaguchi, H. Miyata, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura, "Direct observation of fluorescently labeled single-stranded λDNA molecules in a micro-flow channel," Journal of Fluorescence, vol. 23, pp. 635-640, July 2013.[SpringerLink]
25) K. Takashima, T. Suzuki, Y. Nomura, Y. Hinata, H. Hayashi, H. Kurita, and A. Mizuno, "Honeycomb discharge generated with a single high voltage power supply for activating catalyst," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 7, pp. 142-147, July 2013.[IJPEST]
24) 栗田 弘史, 水野 彰, "DNA切断頻度を指標とした放電生成物を放出する家電製品の生体に対する安全性評価," 静電気学会誌, vol. 37, pp. 144-149, May 2013.[静電気学会] *静電気学会 論文賞 大学公式HPトピックス
23) A. Asada, H. Aoki, H. Kurita, A. Antoniu, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "A novel gene transformation technique using water-in-oil droplet in an electrostatic field," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, pp. 311-315, Jan. 2013.[IEEE Xplore] *IEEE Creativity and Innovation Prize Paper Award 2014 大学公式HPトピックス
22) T. Nakajima, H. Kurita, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "The relation of E. coli growth phase and low-temperature He plasma jet exposure," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 6, pp. 189-193, Sept. 2012.[IJPEST]
21) S. Cunningham, T. Nakajima, H. Kurita, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Analysis of non-thermal plasma-treated water using single molecule measurement of large DNA damage," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 6, pp. 54-58, Mar. 2012.[IJPEST]
20) H. Kurita, T. Nakajima, H. Yasuda, K. Takashima, A. Mizuno, J. I. B. Wilson, and S. Cunningham, "Single-molecule measurement of strand breaks on large DNA induced by atmospheric pressure plasma jet," Applied Physics Letters, vol. 99, 191504 (3 pp.), Nov. 2011.[AIP]
19) M. Oshige, S. Kawasaki, H. Takano, K. Yamaguchi, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, A. Mizuno and S. Katsura, "Direct observation method of individual single-stranded DNA molecules using fluorescent replication protein A," Journal of Fluorescence, vol. 21, pp. 1189-1194, May 2011.[SpringerLink]
18) T. Nakajima, H. Yasuda, H. Kurita, K. Takashima, and A. Mizuno, "Generation of bactericidal factors in the liquid phase and approach to new gene transfer technology by low temperature plasma jet treatment," International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, vol. 5, pp. 42-49, Mar. 2011.[IJPEST]
17) 山口 広輝, 安田 八郎, 浴 俊彦, 栗田 弘史, 高島 和則, 水野 彰, "出芽酵母への大気圧低温プラズマ曝露におけるDNA損傷の検出," 静電気学会誌, vol. 35, pp. 8-13, Feb. 2011.[静電気学会] *静電気学会 論文賞
16) H. Kurita, T. Takata, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "A kinetic analysis of strand breaks on large DNA induced by cigarette smoke extract," Chemical Physics Letters, vol. 493, pp. 165-169, June 2010.[ScienceDirect]
15) M. Oshige, K. Yamaguchi, S. Matsuura, H. Kurita, A. Mizuno, and S. Katsura, "A new DNA combing method for biochemical analysis," Analytical Biochemistry, vol. 400, pp. 145-147, May 2010.[ScienceDirect]
14) H. Yasuda, T. Miura, H. Kurita, K. Takashima, and A. Mizuno, "Biological evaluation of DNA damage in bacteriophages inactivated by atmospheric pressure cold plasma," Plasma Processes and Polymers, vol. 7, pp. 301-308, Mar. 2010.[Wiley]
13) 青木 博則，栗田 弘史, Thierry Paillat, 高島 和則，水野 彰, "静電微粒子化を用いたエマルション生成," 静電気学会誌, vol. 34, pp. 25-30, Feb. 2010.[静電気学会]
12) 柴原 大輝, 安田 八郎, 藤井 直斗，栗田 弘史，高島 和則，水野 彰, "小型アルゴンプラズマジェットによる殺菌効果の検証," 静電気学会誌, vol. 34, pp. 2-7, Feb. 2010.[静電気学会]
11) H. Kurita, H. Yasuda, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "Physical manipulation of single-molecule DNA using microbead and its application to analysis of DNA-protein interaction," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 321, pp. 655-658, Apr. 2009.[ScienceDirect]
10) H. Kurita, K. Torii, H. Yasuda, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "The effect of physical form of DNA on exonucleaseIII activity revealed by single-molecule observations," Journal of Fluorescence, vol. 19, pp. 33-40, Feb. 2009.[SpringerLink]
9) H. Kurita, K. Inaishi, K. Torii, M. Urisu, M. Nakano, S. Katsura, and A. Mizuno, "Real-time direct observation of single-molecule DNA hydrolysis by exonuclease III," Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, vol. 25, pp. 473-480, Apr. 2008.[Taylor & Francis]
8) M. Nakano, H. Kurita, J. Komatsu, A. Mizuno, and S. Katsura, "Stretching of long DNA molecules in the microvortex induced by laser and ac electric field," Applied Physics Letters, vol. 89, 133901 (3 pp.), Sept. 2006.[AIP]
7) S. Tanaka, Z. Aspanut, H. Kurita, C. Toriyabe, Y. Hatuskade, and S. Katsura, "Bio-application of high-Tc SQUID magnetic sensor," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 300, pp. e315-e319, May 2006.[ScienceDirect]
6) J. Komatsu, M. Nakano, H. Kurita, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "Recovery of intact yeast chromosomal DNA from agarose gel plugs using coil-globule transition," Electrophoresis, vol. 26, pp. 4296-4303, Nov. 2005.[Wiley]
5) M. Nakano, J. Komatsu, H. Kurita, H. Yasuda, S. Katsura, and A. Mizuno, "Adaptor polymerase chain reaction for single molecule amplification," Journal of Bioscience and Bioengineering, vol. 100, pp. 216-218, Aug. 2005.[ScienceDirect]
4) S. Tanaka, Z. Aspanut, H. Kurita, C. Toriyabe, Y. Hatsukade, and S. Katsura, "A DNA detection system based upon a high Tc SQUID and ultra-small magnetic particles," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 15, pp. 664-667, June 2005.[IEEE Xplore]
3) M. Nakano, N. Nakai, H. Kurita, J. Komatsu, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "Single-molecule reverse transcription polymerase chain reaction using water-in-oil emulsion," Journal of Bioscience and Bioengineering, vol. 99, pp. 293-295, Mar. 2005.[ScienceDirect]
2) J. Komatsu, M. Nakano, H. Kurita, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "Ice-water interface migration by temperature controlling for stretching of DNA molecules," Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, vol. 22, pp. 331-337, Dec. 2004.[Taylor & Francis]
1) S. Matsuura, H. Kurita, M. Nakano, J. Komatsu, K. Takashima, S. Katsura, and A. Mizuno, "One-end immobilization of individual DNA molecules on a functional hydrophobic glass surface," Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, vol. 20, pp. 429-436, Dec. 2002.[Taylor & Francis]
解説・総説など Review, Misc
5) P. Attri, K. Koga, H. Kurita, K. Ishikawa, and M. Shiratani, "Editorial: Prospects of plasma generated species interaction with organic and inorganic materials," Frontiers in Physics, vol. 10, 1118018 (3 pp.), Jan. 2023.[Frontiers] (査読あり)
4) 栗田 弘史, "大気圧プラズマの細胞への照射と遺伝子への影響", 化学工業, vol. 73, pp. 65-71, Jan. 2022.
3) 栗田 弘史, "大気圧プラズマの医療応用とDNAへの影響", 放射線生物研究, vol. 56, pp. 363-377, Dec. 2021.[放射線生物研究会] (査読あり)
2) 林 秀明, 清山 竜一, 﨑山 大輔, 下田 智紘, 鈴木 智也, 日向 雄一, 栗田 弘史, 高島 和則, 水野 彰, "ディーゼル自動車排気ガス後処理技術への大気圧放電プラズマ応用と課題," 静電気学会誌, vol. 37, pp. 48-55, Jan. 2013. (査読あり)
1) A. Mizuno, H. Yasuda, H. Kurita, and K. Takashima, "Detection and damage-analysis of bio-particles and for safety-evaluation of plasma-treated water using DNA-manipulation," MRS Online Proceedings Library, vol. 1469, mrss12-1469-ww04-05 (13 pp.), May 2012.[MRS] (査読あり)
著書 Book
2) H. Kurita, H. Yasuda, K. Takashima, and A. Mizuno, "Modelling and analysis of interaction between plasma and living systems," Plasma Medical Science, Shinya Toyokuni, Yuzuru Ikehara, Fumitaka Kikkawa, Masaru Hori, Eds., Chapter 3.2, pp. 115-131, Elsevier, July 2018.[Elsevier]
1) 栗田 弘史, "プラズマ照射に対する生体応答", プラズマ産業応用技術-表面処理から環境，医療，バイオ，農業用途まで-, 大久保 雅章 監修, 第4章 医療・バイオ・農業への応用, 第7節, pp, 304-313, シーエムシー出版, July 2017.[シーエムシー出版]
准教授 博士 (工学)
E-mail : kurita@chem
※ メールアドレスの後ろには".tut.ac.jp"を付けてください。
[大学公式HP教員紹介ページ]
熊谷 朋 Tomo KUMAGAI (2年)
桑村 琉以 Rui KUWAMURA (2年)
立石 隼 Shun TATEISHI (2年)
肘井 優花 Yuka HIJII (2年)
木内 果弘 Kahiro KIUCHI (1年)
藤田 羽花 Uka FUJITA (4年)
吉岡 仁美 Hitomi YOSHIOKA (4年)
2023年度 (2024年3月) 博士前期課程修了 : 津留﨑 佳乃・ビドバヤサフ ホラン 学部卒業：村上 慶悟
2022年度 (2023年3月) 博士前期課程修了 : 渡邊 優喜
2021年度 (2022年3月) 博士前期課程修了 : 荒井 寿美麗・二本栁 裕仁・福田 敦史
研究業績 Publication
原著論文 (査読あり) Peer-reviewed original article
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