バイオセンサーは, 生物システムの分子レベルでの詳細なメカニズムの理解に使用される分析ツールの主力です. これらの分析ツールの用途は, 製薬, ヘルスケア, 食品業界, 農業, 環境技術, および生物システムの研究全般における生体分子の検出に無数に及びます. バイオセンサーデモアプリは, 専門家以外の人が正確なマルチフィジックスシミュレーションの恩恵を受けることができるアプリケーションの好例です.
記述的研究から仮説主導型研究へ
巧妙な実験技術に支えられた理論とシミュレーションにより, 分子レベルでの生物システムの詳細なメカニズムの理解が深まりました. この理解により, 創薬と標的化, 微生物とウイルスの検出, 遺伝子治療, およびバイオテクノロジーのその他のプロセスで重要な役割を果たす生体分子の検出方法が無数に生まれました. 医療, 農業食品, 環境技術などの分野での用途は無数に存在します.
バイオセンサーは, 生体分子の検出と測定のための分析技術の重要なコンポーネントです. バイオセンサー設計デモアプリは, この分子の酵素への付着を理解することで, 生体分子の濃度 (または活性) の測定結果を予測します. シミュレーションアプリは, 明確な信号を得るために検出器の設計を最適化する方法の例として使用できます.
検出器としての酵素
下の図は, 左から右への分析対象の流れにさらされたバイオセンサー内の検出器マイクロピラーの1つの可能な配置を示しています. ピラーの金色の凹面部分は, 特定のグループの生体分子にのみ付着できる酵素でコーティングされています.
酵素で覆われた柱を備えたマイクロフローセル. 特定の生体分子を検出するように設計されています.
生体分子は酵素で覆われた柱に吸着され, 蛍光検出などによって測定できます. 酵素は1つの生体分子または非常に特定の生体分子のグループにしか結合できないため, 優れた受容体として機能します. 2回目の反応により, 吸着された生体分子が消光され, 蛍光が減少して検出器からの信号が弱まります.
測定対象の生体分子は, 検出器表面 (1) 上を流れる溶液に含まれています. 生体分子は酵素でコーティングされた表面に付着し, 励起と蛍光を引き起こします (2). 消光分子も溶液に含まれており (3), これが酵素に付着した生体分子と反応する可能性があります (4). 消光された分子はもはや光を発しないため, 検出できません.
バイオセンサー設計アプリの紹介
最近, 新しいバイオセンサー設計デモアプリを導入しました. このアプリでは, ユーザーが次のパラメーターを変更できます.
- ピラーの直径
- ピラー アレイ内のピラーの数
- 流速
- シミュレートされた生体分子の濃度
- シミュレーション時間
ユーザーインターフェース (UI) は次のようになります. 入力箇所と結果の可視化については注釈が付いています.
アプリの UI は非常に使いやすいです. いくつかの関連する入力フィールドとコマンドボタンが, 最も重要な出力とともに利用できます.
シミュレーションを定義する際の手間は最小限で, シミュレーションの専門家でなくても, バイオセンサーシステムを理解して最適化することで, 正確なマルチフィジックスモデリングのメリットを享受できます.
埋め込みモデルは, 流体の流れ方程式と, 表面反応の速度論を含む生体分子の輸送と反応の方程式を定義して解きます.
生体分子の注入と検出のシミュレーション
以下のアニメーションは, 分析対象物質の注入後, 測定された生体分子の時間依存濃度場を3D表面として示しています (表面の高さと色は濃度を示します).
分析対象物質内の生体分子の濃度場が波のように柱を横切る様子を示すアニメーション. 色の凡例と波の高さは, mol/m3 単位の濃度を表します.
分析対象物質の注入によって生じる生体分子の波は, 以下のアプリのスクリーンショットでわかるように, 柱の表面の濃度にも見られます. 青い実線は, 最初の列の柱とチャネルの中央の濃度を示しています. 青い一点鎖線は, 流路の中央の後列の柱の表面で検出された濃度を示しています. 赤い実線は, セルの壁に近い最初の列に配置された柱の表面の生体分子の濃度を表しています. 赤い一点鎖線は, セルの壁に近い後列の柱によって測定された濃度を示しています. 壁に近い柱とセルの後ろの柱は, どちらもバイオセンサーからの信号の広がりに寄与します. この場合, 信号は弱くなりますが, より明確な信号になりますが, 柱の数を減らすことをお勧めします.
細胞内のさまざまな位置にある酵素コーティングされた柱の表面における測定された生体分子の濃度.
ここで紹介するアプリは, 無数のバイオセンサー設計構成の一例です. この特定の構成は目的に最適ではないかもしれませんが, このアプリを広く使用して, ユーザーがバイオセンサーの設計をシミュレートして改善するきっかけとなる, 明確でシンプルなインターフェースを備えた同様のアプリを構築できます.
その他の資料
- アプリ構築の舞台裏の詳細については, 別のデモアプリを紹介したブログ をご覧ください.
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