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一細胞定量解析の最前線―ライフサーベイヤ構築に向けて―(普及版)

  • Frontier of Quantitative Analysis of a Single Cell―Toward Construction of Life Surveyor―
2006年刊「一細胞定量解析の最前線」の普及版。未来社会における臨床診断、病因解明、動植物育種、工業微生物育種等、応用分野にも強く直結する重要要素技術への展開に繋がる技術を一冊に集約。

商品コード: B1004

  • 監修: 神原秀記・松永是・植田充美
  • 発行日: 2012年7月
  • 価格(税込): 4,752 円
  • 体裁: B5判、272ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0531-8

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  • バイオセンサー/バイオイメージング/蛍光プローブ/バイオインフォマティクス/メタボロミクス/細胞チップ/細胞操作/核酸

刊行にあたって

 この著は、平成17年度発足の科学研究費補助金「特定領域研究:生体分子群のデジタル精密計測に基づいた細胞機能解析:ライフサーベイヤをめざして」(代表:神原秀記教授)に結集した研究者たちの、この新しい研究領域創成旗揚げの雄叫びを集めたものであります。
 生体を細胞という単位でとらえ、その機能を分子レベルで明らかにするために,細胞とそこに含まれる生体分子群をデジタル的に精密に計測し,生命活動を動的に解析できる「ライフサーベイヤ」とも言うべきシステムの構築に必要な基盤技術の開発をめざすための一助として、この「一細胞定量解析の最前線―ライフサーベイヤ構築に向けて―」の最新成書が編集されました。今後の研究の推移とともに,研究の成果は、生物や生命現象をデジタル精密計測データでもって、シミュレーションすることを可能にし、現在、試行が始まっているシステムバイオロジーの展開や生命をモニターやサーベイする装置の開発だけでなく,さらに、未来社会における、臨床診断、病因解明、動植物育種、工業微生物育種等,応用分野にも強く直結する重要要素技術への展開が期待されます。したがいまして、数年後にはこの研究領域の成果をまとめた続編の刊行が待ち遠しくなることと思います。

(「はじめに」より抜粋)

2006年10月
神原秀記 (東京農工大学 大学院工学教育部・連携大学院 教授/(株)日立製作所)
松永 是 (東京農工大学大学院 教授・工学府長・工学部長)
植田充美 (京都大学大学院 農学研究科 応用生命科学専攻) 


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『一細胞定量解析の最前線―ライフサーベイヤ構築に向けて―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2012年7月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

神原秀記   東京農工大学 大学院工学教育部・連携大学院 教授;(株)日立製作所 フェロー   
松永是    東京農工大学大学院 教授・工学府長・工学部長
植田充美   京都大学大学院 農学研究科 応用生命科学専攻 応用生化学講座 生体高分子化学分野 教授
浜地格    京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
王子田彰夫  京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 助手
杉本直己   甲南大学 先端生命工学研究所(FIBER) 所長;理工学部 教授
三好大輔   甲南大学 先端生命工学研究所(FIBER) 専任講師
富崎欣也   東京工業大学 大学院生命理工学研究科 生物プロセス専攻 助手(COE21)
三原久和   東京工業大学 大学院生命理工学研究科 生物プロセス専攻 教授
養王田正文  東京農工大学 大学院共生科学技術研究院 教授
金原数    東京大学大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 助教授
福崎英一郎  大阪大学大学院 工学研究科 生命先端工学専攻 助教授
馬場健史   大阪大学大学院 薬学研究科 附属実践薬学教育研究センター 助手
浦野泰照   東京大学大学院 薬学系研究科 薬品代謝化学教室 助教授/JSTさきがけ
高木昌宏   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 教授
吉田和哉   奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 助教授
仲山英樹   奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 助手
石井純    神戸大学 工学部 技術補佐員
近藤昭彦   神戸大学 工学部 応用化学科 教授
阿部洋    (独)理化学研究所 伊藤ナノ医工学研究室 研究員
古川和寛   早稲田大学大学院 理工学研究科 応用化学専攻
常田聡    早稲田大学 理工学術院 助教授
伊藤嘉浩   (独)理化学研究所 伊藤ナノ医工学研究室 主任研究員
民谷栄一   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 教授
山村昌平   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 助手
斉藤真人   文部科学省 知的クラスター創成事業「とやま医薬バイオクラスター」 博士研究員 
本多裕之   名古屋大学大学院 工学研究科 化学・生物工学専攻 教授
井藤彰    九州大学大学院 工学研究院 化学工学部門 助教授
清水一憲   名古屋大学大学院 工学研究科 化学・生物工学専攻
伊野浩介   名古屋大学大学院 工学研究科 化学・生物工学専攻
神保泰彦   東京大学大学院 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 教授
小西聡    立命館大学 理工学部 マイクロ機械システム工学科 教授
竹山春子   東京農工大学 大学院共生科学技術研究院 教授
珠玖仁    東北大学大学院 環境科学研究科 助教授
末永智一   東北大学大学院 環境科学研究科 教授
遠藤玉樹   岡山大学大学院 自然科学研究科 特別契約職員 助手
小畠英理   東京工業大学 大学院生命理工学研究科 助教授
秋山泰    (独)産業技術総合研究所 生命情報科学研究センター センター長;東京工業大学 大学院情報理工学研究科 教授
新垣篤史   東京農工大学大学院 助手

執筆者の所属表記は,2006年当時のものを使用しております。

目次

第1章 ライフサーベイヤとは
1. はじめに
2. ライフサーベイヤとは
3. ライフサーベイヤに必要な技術

第2章 生体シグナル解析用分子材料群の創製
1. 生体シグナル解析用分子材料概論

2. シグナル解析用分子センサーの構築
2.1 はじめに
2.2 小分子型蛍光センサー
2.2.1 カチオンセンシング
2.2.2 アニオンセンシング
2.2.3 ROS、NOのセンシング
2.3 バイオセンサー
2.4 おわりに

3. シグナル解析を目指した機能性核酸の構築
3.1 はじめに
3.2 核酸の構造多様性
3.2.1 Watson-Crick塩基対からなる二重らせん構造
3.2.2 非Watson-Crick塩基対を含む二重らせん構造
3.2.3 三重らせん構造
3.2.4 四重らせん構造
3.3 核酸の機能と構造を左右する周辺環境
3.3.1 カチオン
3.3.2 pH
3.3.3 分子クラウディング
3.4 エネルギー・データベースを用いた機能性核酸の開発
3.4.1 四重らせん構造と二重らせん構造に及ぼす分子クラウディングの効果を活用した核酸スイッチの開発
3.4.2 パラレル型三重らせん構造を活用したpHセンサーの開発
3.5 機能性核酸の新規設計方法の確立に向けて

4. ペプチドチップテクノロジーによるシグナル解析
4.1 はじめに
4.2 プロテインチップ概論
4.2.1 標的タンパク質捕捉分子
4.2.2 捕捉分子固定化のための表面化学
4.2.3 高感度シグナル検出法
4.2.4 データ解析法
4.3 設計ペプチドを用いるチップテクノロジーの特長
4.4 プロテインフィンガープリントテクノロジー
4.5 ペプチドリガンドスクリーニング
4.6 金の異常反射(AR)による設計ペプチドータンパク質間相互作用検出
4.7 プロテインキナーゼ検出法
4.8 おわりに

5. 分子シャペロンとプレフォールディンを利用したシグナル解析用材料
5.1 分子シャペロン
5.2 シャペロニン
5.3 II型シャペロニンとプレフォルディン
5.3.1 II型シャペロニン
5.3.2 プレフォルディン
5.4 ナノ粒子
5.5 タンパク質とナノ粒子の複合化
5.6 シャペロニンとナノ粒子の複合化
5.7 ライフサーベイヤ開発に向けて
5.7.1 プレフォルディンの利用
5.7.2 シャペロニンを利用したセンシング材料の開発

第3章 細胞内生体分子群の動態シグナルの解析
1. 細胞内生体分子群の動態シグナルの解析概論
1.1 ポストゲノム研究の方向性
1.2 動態シグナルの解析に向けて

2. 細胞内情報伝達動態のオンライン定量解析に向けて
2.1 はじめに
2.2 生体分子群の動態解析
2.3 革新的分離ナノ材料の登場
2.4 網羅的動態定量へのHPLCの多次元化
2.5 情報伝達分子の動態定量をめざした2次元HPLCの構築
2.6 今後の課題

3. メタボロミクスの可能性と技術的問題
3.1 はじめに
3.2 メタボロミクスの分類
3.3 メタボロミクスにおけるサンプリング、前処理
3.4 メタボロミクスに用いる質量分析
3.5 質量分析計を用いる場合の定量性について
3.6 メタボロミクスに用いられる質量分析以外の分析手法
3.7 メタボロミクスにおけるデータ解析
3.8 メタボロミクスのツールとしての可能性
3.9 おわりに

4. 細胞・個体レベルでストレスをサーベイする
4.1 はじめに
4.2 蛍光プローブ(小分子蛍光プローブ)
4.3 PeTによる蛍光特性の制御
4.4 フルオレセインを母核とする蛍光プローブの論理的なデザイン
4.5 活性酸素種を種特異的に検出可能な蛍光プローブの論理的開発
4.5.1 一重項酸素(1O2)蛍光プローブ(DPAX、DMAX)
4.5.2 OHラジカルなどの高い活性を持つROSを特異的に検出可能な蛍光プローブ(HPF、APF)
4.5.3 パーオキシナイトライト(ONOO-)などによるニトロ化ストレス検出蛍光プローブ(NiSPYs)
4.6 蛍光タンパク質
4.7 蛍光共鳴エネルギー移動(FRET:Fluorescence Resonance Energy Transfer)
4.8 カメレオン
4.9 モデル生物としてのゼブラフィッシュ
4.10 ゼブラフィッシュを用いた細胞内カルシウムイオンイメージング
4.10.1 胞胚後期~原腸形成後期
4.10.2 原腸形成後期~体節形成初期
4.10.3 体節形成初期~中期
4.10.4 体節形成中期~後期
4.10.5 原基形成期
4.11 形態形成異常と細胞内カルシウムイオン
4.12 おわりに

5. 植物細胞の環境ストレス応答の分子機構
5.1 はじめに
5.2 植物細胞の塩ストレス応答機構
5.3 ナトリウムイオンストレス
5.4 植物のカリウム/ナトリウムイオン輸送を担う分子群
5.5 HKTファミリーとHAKファミリーのカリウムイオン輸送能
5.6 環境ストレス応答のライフサーベイヤ解析に適したモデル細胞
5.7 おわりに

6. 酵母細胞内シグナル定量解析の創薬への応用
6.1 はじめに
6.2 コンビナトリアル・バイオエンジニアリングによるリード化合物探索
6.3 リガンド表層ディスプレイによる検出システム
6.4 酵母シグナル伝達を利用したGPCRアッセイのための蛍光検出系
6.5 酵母でシグナル伝達を可能とするヒトGPCR発現
6.6 おわりに

7. 細胞内遺伝子発現検出用の蛍光バイオプローブの設計と合成
7.1 はじめに
7.2 蛍光性バイオプローブを用いた細胞内イメージング
7.2.1 蛍光性核酸プローブの設計と合成
7.2.2 細胞内遺伝子検出(Fluorescence In situ hybridization、FISH法)
7.2.3 生細胞内遺伝子検出
7.3 既法の問題点
7.4 これから細胞内検出への展開が期待される検出法
7.4.1 RNAアプタマーと蛍光物質の反応を利用した検出
7.4.2 コンフォメーション変化を利用した蛍光発生システム
7.4.3 量子ドットを用いた検出系
7.5 今後の展開

第4章 細胞間ネットワークシグナルの解析
1. 細胞間ネットワークシグナルの解析概論

2. 細胞チップを用いた遺伝子/シグナル分子解析
2.1 はじめに
2.2 細胞機能解析を目指したチップデバイス
2.2.1 マイクロアレイチップを用いた遺伝子解析システム
2.2.2 細胞チップを用いた細胞シグナル解析
2.3 まとめ

3. 細胞の磁気ラベル・磁気誘導を用いた組織構築
3.1 はじめに
3.2 機能性磁性微粒子
3.3 心筋組織の構築
3.4 間葉系幹細胞を用いた骨組織の構築
3.5 毛細血管を含む三次元組織の構築
3.6 三次元担体への高密度細胞播種法の開発(Mag-seeding)
3.7 おわりに

4. 集積化電極による細胞間シグナル計測と解析
4.1 ニューロンのネットワーク
4.2 神経系の信号とその計測
4.3 集積化電極
4.4 多点電気刺激
4.5 神経回路活動の計測
4.6 神経回路活動の解析
4.7 神経回路・単一細胞同時計測に向けて

5. 細胞シグナル解析用MEMSチップ
5.1 はじめに
5.2 細胞の電気的シグナル解析
5.3 細胞シグナル解析用デバイスの研究開発動向
5.4 細胞シグナル解析用MEMSチップ:MCA(Micro Channel Array)の研究
5.4.1 設計
5.4.2 製作
5.4.3 評価
5.5 おわりに

第5章 ライフサーベイヤをめざしたデジタル精密計測技術の開発
1. ライフサーベイヤをめざしたデジタル精密計測技術の開発概論
1.1 デジタル精密計測技術の開発
1.2 デジタル精密計測技術開発の展開

2. 核酸のデジタル解析に向けての技術開発
2.1 はじめに
2.2 DNA塩基配列決定方法
2.2.1 ゲル電気泳動を用いた方法
2.2.2 段階的な相補鎖合成反応を用いた方法
2.3 DNAのデジタル計測
2.3.1 デジタル計測に用いられるDNA配列解析技術
2.3.2 デジタル計測に用いられるDNA試料調製技術
2.4 1細胞中の全mRNA定量解析を目指したDNAデジタル解析へ向けて
2.5 おわりに

3. バイオナノ磁性ビーズの生体分子計測への応用
3.1 はじめに
3.2 市販されている磁性ビーズの現状
3.3 新規磁性ビーズの開発状況
3.3.1 金被覆による機能性磁性ビーズの作製
3.3.2 量子ドットとの複合化による蛍光コード磁性ビーズの作製
3.4 バイオナノ磁性ビーズの創製
3.5 バイオナノ磁性ビーズを用いた生体分子計測
3.5.1 DNA-バイオナノ磁性ビーズ
3.5.2 抗体-バイオナノ磁性ビーズ
3.5.3 受容体-バイオナノ磁性ビーズ
3.5.4 酵素-バイオナノ磁性ビーズ
3.6 バイオナノ磁性ビーズを用いた全自動計測ロボット
3.7 おわりに

4. 細胞操作のデバイスとマイクロシステム
4.1 はじめに
4.2 プローブ(探針)を用いた細胞分析マイクロシステム
4.3 生殖工学に資する細胞分析デバイス
4.4 単一細胞からのRNA採集
4.5 おわりに

5. 生体材料プローブを利用した特定RNA検出法の開発
5.1 はじめに
5.2 光シグナルを用いた細胞内バイオイメージング
5.3 RNA検出のための遺伝子組換えタンパク質プローブの設計
5.3.1 細胞内バイオイメージングを可能にするFRETタンパク質プローブ
5.3.2 ペプチド-RNA間相互作用とinduced fitによる構造変化
5.3.3 RNA検出のための分子内FRETタンパク質プローブ
5.4 分子内FRETタンパク質プローブによるRNAの検出
5.4.1 RNAとの結合確認
5.4.2 RNAへの結合によるFRETシグナル変化
5.4.3 細胞内におけるRNAの検出
5.5 任意配列RNAを検出するためのsplit-RNAプローブの設計
5.6 任意配列を有するRNAの検出
5.6.1 hybridized complexの添加に伴うFRETシグナル変化
5.6.2 特定RNAのホモジニアスアッセイ
5.7 おわりに

6. 細胞丸ごとRNA解析に向けたバイオインフォマティクス技術
6.1 はじめに
6.2 細胞丸ごとRNA解析で必要となる情報処理の流れ
6.3 データの一括処理を支援するソフトウェアの開発
6.4 既知の発現プロファイル情報との比較
6.5 おわりに

第6章 ライフサーベイヤの研究展開と展望
1. ポストゲノムへのアプローチ
2. 網羅的手法による細胞解析―磁性細菌を例に―
3. 一細胞情報の丸ごと解析に向けて
4. ライフサーベイヤに期待する
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