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Three dimensional nanostructure fabrication by using protein crystals as the templete

Research Project

Project/Area Number 20K05269
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionJosai University

Principal Investigator

UWADA Takayuki  城西大学, 理学部, 准教授 (30455448)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鍋谷 悠  宮崎大学, 工学部, 准教授 (50457826)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywordsタンパク質結晶 / 多孔質材料 / プラズモニックナノ粒子 / フォトンアップコンバージョン / 共鳴エネルギー移動 / マイクロレーザー / 光還元 / ナノ粒子パターニング / 金ナノ粒子 / 銀ナノ粒子 / パターニング / 表面増強ラマン散乱 / 分光イメージング / 固体フォトンアップコンバージョン
Outline of Research at the Start

タンパク質の機能や構造を知るため細心の注意を持って作られるタンパク質の結晶は、その内部に三次元状に広がる溶媒チャンネルはナノメートルサイズの細孔構造を有している。その細孔は表面のタンパク質に由来する不均一な空間であるため、タンパク質結晶は新規かつ高機能な多孔質材料であるといえる。我々はこれまでこのタンパク質結晶細孔への分子導入を明らかにし、その機能と有用性を実証してきた。本研究計画ではこれを発展させ、タンパク質結晶をテンプレートとすることで新たな光学特性を発現する三次元的複合ナノ構造材料を作り出す。同時に顕微鏡観察技術を駆使しタンパク質結晶の多孔質材料・反応容器としての機能を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

Protein crystals possess distinguished three-dimensional structures that contain well ordered nanoporous solvent channels that are typically 0.5-10 nm in diameter. From this viewpoint, structural similarities to nanoporous materials, such as zeolite, mesoporous silica, and metal organic frameworks (MOF), are noteworthy. It is expected that similarly to such nanoporous materials, protein crystals will be employed in a broader range of applications. In this prject, we aim to fabricate novel three-dimensional nanostructured materials by exploiting the function of protein crystals. We have found that resonant energy transfer and triplet-triplet annihilation photon upconversion in the nanopores of protein crystals by loading functional molecules in high density. In addition, we have fabricated gold/silver nanoparticles in the nanopores, which can be accelerated by photo-irradiation. Such foundings are based on the characteristics of the protein crystals.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

タンパク質が三次元的に集積して作る結晶がもつ三次元的なnmサイズの穴(細孔)に着目し、ゼオライトやメソポーラスシリカ、最近注目のMOF(金属有機構造体)と同様の多孔質材料として活用できるのではと考えた。多孔質材料であるためそこには細孔よりも小さな分子を導入できる。単に導入できるだけでなく、細孔内に機能性分子を高密度に集積することで分子がバラバラな状態ではありえない現象が発現すると明らかにした。また、細孔内で化学反応を起こしナノ粒子を作った。これもまた細孔内でナノ粒子の原材料が高密度に集積しているからこそであり、すなわちタンパク質結晶が新たな多孔質材料であると示した。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] In Situ Absorption and Fluorescence Microspectroscopy Investigation of the Molecular Incorporation Process into Single Nanoporous Protein Crystals2020

    • Author(s)
      Takayuki Uwada, Kohei Kouno, and Mitsuru Ishikawa
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 5 Issue: 16 Pages: 9605-9613

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c01038

    • NAID

      120006881345

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 架橋タンパク質結晶への分子導入による高機能化2022

    • Author(s)
      宇和田貴之, 本間結衣, 田主和花
    • Organizer
      2022年光化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] タンパク質結晶のナノ細孔をプラットフォームとした機能性分子の集積2021

    • Author(s)
      宇和田貴之, 田主和花, 竹下遼馬, 石川満
    • Organizer
      2021年光化学討論会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 宇和田貴之2021

    • Author(s)
      単一金ナノ粒子のレーザー加熱に伴う局所対流の発生とそれを用いた物質輸送
    • Organizer
      COMSOL Simulations Week by KESCO 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 分子結晶フォトンアップコンバージョンナノ粒子の調製と分光測定2020

    • Author(s)
      宇和田貴之、久保典孝、石川満、橋本雅司
    • Organizer
      2020年光化学討論会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] タンパク質結晶のナノ細孔材料・ナノ反応容器への展開2020

    • Author(s)
      宇和田貴之
    • Organizer
      有機分子有機結晶セミナー
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Book] High-Energy Chemistry and Processing in Liquids (うちChapter 1を担当)2022

    • Author(s)
      S. Hashimoto, T. Uwada
    • Total Pages
      330
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      9789811677977
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Remarks] 城西大学理学部化学科 ナノ機能化学研究室 ウェブサイト

    • URL

      https://www.josai.ac.jp/~uwada/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 城西大学理学部化学科 ナノ機能化学研究室

    • URL

      https://www.josai.ac.jp/~uwada/

    • Related Report
      2021 Research-status Report 2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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