Active control of growth mode of organic molecules by femtosecond laser

• Project/Area Number: 15K13380
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Optical engineering, Photon science
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: MORI YUSUKE 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90252618)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高野 和文 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 教授 (40346185) ; 吉川 洋史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50551173)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2016: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2015: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 光プロセシング / タンパク質結晶 / 渦巻き成長 / X線トポグラフィ / X線構造解析

Outline of Final Research Achievements

We investigated the principle of “an approach for promoting the growth of protein crystals by directly switching the crystal growth mode by femtosecond laser ablation”. We demonstrated that protein crystals with surfaces that are locally etched by femtosecond laser ablation show enhanced growth rates without losing crystal quality. There were appropriate laser irradiation conditions (especially the total pulse number) depending on materials. Fewer laser pulse number could not induce a spiral growth, contrary too many laser pulse number induced also poly crystals. Optical phase-sensitive microscopy and X-ray topography imaging techniques revealed that the local etching induces a screw dislocation then a spiral growth began from the screw dislocation. These findings prove that femtosecond laser ablation can actively switch the crystal growth mode, offering flexible control over the size and shape of protein crystals.

Research Products

• [Journal Article] Improvement of metastable crystal of acetaminophen via control of crystal growth rate (2018)
  • Author(s): Nii Kosuke、Maruyama Mihoko、Okada Shino、Adachi Hiroaki、Takano Kazufumi、Murakami Satoshi、Yoshikawa Hiroshi Y.、Matsumura Hiroyoshi、Inoue Tsuyoshi、Imanishi Masayuki、Tsukamoto Katsuo、Yoshimura Masashi、Mori Yusuke
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 11 Issue: 3 Pages: 035501-035501
  • DOI: 10.7567/apex.11.035501
  • NAID: 210000136139
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reflection Interference Microscopy~Noninvasive Nano-Imaging of Soft Interfaces~ (2017)
  • Author(s): 吉川 洋史、松崎 賢寿
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 57 Issue: 6 Pages: 318-322
  • DOI: 10.2142/biophys.57.318
  • NAID: 130006230293
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] フェムト秒レーザーアブレーションを利用した結晶成長モードの能動的切り替えによるタンパク質結晶の成長促進 (2017)
  • Author(s): 吉川洋史, 丸山美帆子
  • Journal Title: 光学 Volume: Vol.46 No.6 Pages: 248-248
• [Journal Article] Crystallization of acetaminophen form II by plastic-ball-assisted ultrasonic irradiation (2017)
  • Author(s): Yo. Mori, M. Maruyama, Y. Takahashi, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, S. Sugiyama, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Yoshimura, and Yu. Mori
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.10, No.2 Issue: 2 Pages: 025501-025501
  • DOI: 10.7567/apex.10.025501
  • NAID: 210000135769
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A crystallization technique for obtaining large protein crystals with increased mechanical stability using agarose gel combined with a stirring technique (2016)
  • Author(s): M. Maruyama, Y. Hayashi, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Koizumi, M. Tachibana, S. Sugiyama, H. Adachi, H. Matsumura, T. Inoue, K. Takano, S. Murakami, M. Yoshimura, Y. Mori
  • Journal Title: J. Crystal Growth Volume: 452 Pages: 172-178
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2015.11.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Promotion of protein crystal growth by actively switching crystal growth mode via femtosecond laser ablation (2016)
  • Author(s): Y. Tominaga, M. Maruyama, M. Yoshimura, H. Koizumi, M. Tachibana, S. Sugiyama, H. Adachi, K. Tsukamoto, H. Matsumura, K. Takano, S. Murakami, T. Inoue, H. Y. Yoshikawa, and Y. Mori
  • Journal Title: NATURE PHOTONICS Volume: Vol.10 Pages: 723-727
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Matastable crystal growth of acetaminophen using solution-mediated phase transformation (2016)
  • Author(s): Yo. Mori, M. Maruyama, Y. Takahashi, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, S. Sugiyama, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Yoshimura, and Yu. Mori
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.10, No.1 Issue: 1 Pages: 015501-015501
  • DOI: 10.7567/apex.10.015501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth of high-strength protein crystals with nanofibers (2016)
  • Author(s): M. Matsuoka, K. Kakinouchi, H. Adachi, M. Maruyama, S. Sugiyama, I. Nakabayashi, H. Tsuchikura, A. Kuwahara, S. Sano, H. Y. Yoshikawa, Y. Takahashi, M. Yoshimura, H. Matsumura, S. Murakami, T. Inoue, Y. Mori, K. Takano
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.9, No.3 Issue: 3 Pages: 035503-035503
  • DOI: 10.7567/apex.9.035503
  • NAID: 210000137835
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A crystallization technique for obtaining large protein crystals with increased mechanical stability using agarose gel combined with a stirring technique (2016)
  • Author(s): M. Maruyama, Y. Hayashi, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Koizumi, M. Tachibana, S. Sugiyama, H. Adachi, H. Matsumura, T. Inoue, K. Takano, S. Murakami, M. Yoshimura and Y. Mori
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: -
• [Presentation] レーザーアブレーションによる有機結晶の形状制御 (2018)
  • Author(s): 吉川洋史, 鈴木大希, 田村未央, Chi-Shiun Wu, 中林誠一郎
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第38回年次大会
• [Presentation] フェムト秒レーザー誘起結晶化技術を用いた医薬化合物アスピリンの準安定形晶出 (2018)
  • Author(s): 釣優香，仁井滉允，丸山美帆子，岡田詩乃，安達宏昭，吉川洋史，高野和文，村上聡，松村浩由，井上豪, 塚本勝男，吉村政志，森勇介
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第38回年次大会
• [Presentation] 外場印加による医薬化合物アスピリンの準安定形晶出 (2018)
  • Author(s): 釣優香, 仁井滉允, 丸山美帆子, 岡田詩乃, 安達宏昭, 吉川洋史, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 今西正幸, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションで制御するタンパク質結晶の成長機構 (2018)
  • Author(s): 丸山美帆子, 吉川洋史, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 日本化学会第98回春季年会(2018)
  • Invited
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションによる有機結晶成長の時空間制御 (2017)
  • Author(s): 鈴木大希, 中林誠一郎, 吉川洋史
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜, 神奈川
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 溶液媒介相転移による医薬化合物アセトアミノフェンの準安定形成長（Ⅱ） (2017)
  • Author(s): 藤本吏輝, 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜, 神奈川
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 溶液媒介転移による医薬化合物アセトアミノフェンの準安定形成長 (2017)
  • Author(s): 藤本吏輝, 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第40回結晶成長討論会
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションによる有機結晶の成長制御 (2017)
  • Author(s): 吉川 洋史
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] レーザーアブレーションによる有機結晶成長の時空間制御２～レーザーエネルギー依存性～ (2017)
  • Author(s): 鈴木大希, 中林誠一郎, 吉川洋史
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ポリマー界面を用いた医学化合物イブプロフェンの準安定形結晶成長 (2017)
  • Author(s): 仁井滉允, 岡田詩乃, 安達宏昭, 丸山美帆子, 高野和文, 吉川洋史, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Growth of high-quality metastable acetaminophen using solution-mediated phase transformation at low supersaturation (2017)
  • Author(s): R. Fujimoto, Yo. Mori, M. Maruyama, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, and Yu. Mori
  • Organizer: The 7th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology(CGCT-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metastable crystal growth of pharmaceutical compound ibuprofen by using polymer induced hetero nucleation (2017)
  • Author(s): K. Nii, M. Maruyama, S. Okada, H. Adachi, K. Takano, S. Murakami, H. Yoshikawa, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, Y. Mori
  • Organizer: The 7th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology(CGCT-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 溶液バブリングによる医薬化合物アセトアミノフェンの準安定形晶出 (2017)
  • Author(s): 藤本吏輝, 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
• [Presentation] 外場印加による医薬化合物アスピリンの結晶化 (2017)
  • Author(s): 釣優香, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
• [Presentation] 医薬化合物の準安定相晶出技術の開発 (2017)
  • Author(s): 吉村政志, 仁井滉允, 藤本吏輝, 釣優香, 丸山美帆子, 岡田詩乃, 安達宏昭, 吉川洋史, 高野和文，村上聡，松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 森勇介
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
  • Invited
• [Presentation] レーザーアブレーションによる有機結晶の成長制御法の開発 (2017)
  • Author(s): 鈴木大希, 田村未央, 中林誠一郎, 吉川洋史
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションで制御するタンパク質結晶の成長機構 (2017)
  • Author(s): 丸山美帆子, 冨永勇佑, 吉村政志, 小泉晴比古, 橘勝, 杉山成, 安達宏昭, 塚本勝男, 松村浩由, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 吉川洋史, 森勇介
  • Organizer: 第46回結晶成長国内会議(JCCG-46)
  • Invited
• [Presentation] Metastable crystal growth of acetaminophen using solvent-mediated phase transformation (2016)
  • Author(s): R. Fujimoto, Yo. Mori, Y. Takahashi, M. Maruyama, H. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, S. Sugiyama, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, Yu. Mori
  • Organizer: The 5th China-Japan Symposium on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Place of Presentation: Fuzhou, China
  • Year and Date: 2016-11-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metastable crystal growth of acetaminophen in low supersaturated solution (2016)
  • Author(s): K. Nii, M. Maruyama, Y. Takahashi, H. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, S. Sugiyama, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, and Yu. Mori
  • Organizer: The 5th China-Japan Symposium on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Place of Presentation: Fuzhou, China
  • Year and Date: 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 溶媒媒介相転移による医薬化合物アセトアミノフェンの準安定形成長 (2016)
  • Author(s): 藤本吏輝, 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷲メッセ, 新潟
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] Promotion of Protein Crystal Growth by Spatiotemporally Switching Crystal Growth Mode via Femtosecond Laser Ablation (2016)
  • Author(s): H. Y. Yoshikawa, Y. Tominaga, M. Maruyama, M. Yoshimura, S. Sugiyama, H. Adachi, K. Tsukamoto, H. Matsumura, K. Takano, S. Murakami, T. Inoue, Y. Mori
  • Organizer: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場, 愛知
  • Year and Date: 2016-08-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a New Microscopy System Toward In-Situ Observation of Laser-Induced Crystal Growth Dynamics (2016)
  • Author(s): D. Suzuki, S. Nakabayashi, H. Y. Yoshikawa
  • Organizer: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場, 愛知
  • Year and Date: 2016-08-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションを用いた成長機構転換によるタンパク質結晶の高品質化 (2016)
  • Author(s): 冨永勇佑, 林佑紀, 中山智詞, 丸山美帆子, 高橋義典, 吉川洋史, 吉村政志, 杉山成, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 森勇介
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東工大 大岡山キャンパス, 東京
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションによる有機・タンパク質結晶成長の空間制御 (2016)
  • Author(s): 吉川洋史
  • Organizer: 第5回次世代の物質科学・ナノサイエンスを探る
  • Place of Presentation: ニセコ国際会議施設, 北海道
  • Year and Date: 2016-01-08
• [Presentation] ゲル化タンパク質溶液への攪拌操作による結晶核発生数の制御 (2015)
  • Author(s): 丸山美帆子, 林佑紀, 吉川洋史, 岡田詩乃, 杉山成, 小泉晴比古, 橘勝, 安達宏昭, 松村浩由, 井上豪, 高野和文, 村上聡, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第45回結晶成長国内会議(NCCG-45)
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館, 北海道
  • Year and Date: 2015-10-20
• [Presentation] フェムト秒レーザーを用いた成長機構転換によるタンパク質結晶の不純物取り込み低減 (2015)
  • Author(s): 冨永勇佑, 丸山美帆子, 吉川洋史, 杉山成, 高橋義典, 安達宏昭, 松村浩由, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第45回結晶成長国内会議(NCCG-45)
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館, 北海道
  • Year and Date: 2015-10-20
• [Presentation] ゲル化タンパク質溶液へのフェムト秒レーザー集光による核発生の空間制御 (2015)
  • Author(s): 山形眞, 丸山美帆子, 冨永勇佑, 吉川洋史, 杉山成, 岡田詩乃, 高橋義典, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 松村浩由, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第45回結晶成長国内会議(NCCG-45)
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館, 北海道
  • Year and Date: 2015-10-20
• [Presentation] Effects of a Forced Solution Flow on The Step Advancement on {110} Faces of Tetragonal Lysozyme Crystals (2015)
  • Author(s): M. Maruyama, G. Sazaki, H. Adachi, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • Organizer: The Joint Conference of 6th International Symposium on Physical Sciences in Space (ISPS-6)
  • Place of Presentation: 同志社大学, 京都
  • Year and Date: 2015-09-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゲル化タンパク溶液におけるフェムト秒レーザー誘起核発生の空間制御 (2015)
  • Author(s): 山形眞, 丸山美帆子, 冨永勇佑, 吉川洋史, 杉山成, 岡田詩乃, 高橋義典, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 松村浩由, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場, 愛知
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションを用いたタンパク質結晶成長初期における成長機構転換 (2015)
  • Author(s): 冨永勇佑, 丸山美帆子, 吉川洋史, 杉山成, 高橋義典, 安達宏昭, 松村浩由, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場, 愛知
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] SPIRAL GROWTH OF PROTEIN CRYSTALS INDUCED BY FEMTOSECOND LASER ABLATION (2015)
  • Author(s): Y. Tominaga, M. Maruyama, H. Y. Yoshikawa, Y. Hayashi, S. Nakayama, Y. Takahashi, S. Sugiyama, H. Adachi, H. Matsumura, K. Takano, S. Murakami, T. Inoue, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • Organizer: 20th American Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ACCGE-20)
  • Place of Presentation: Big Sky, Montana, USA
  • Year and Date: 2015-08-03
  • Int'l Joint Research
• [Book] 「化学」, Vol.72, No.5, pp.21-25, "結晶を壊して大きくする！？－セレンディピティと異分野連携が生んだタンパク質結晶育成法" (2017)
  • Author(s): 吉川洋史, 丸山美帆子
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 化学同人