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Development of Single-molecule Identification Using Quantum Interference

Research Project

Project/Area Number 22H00281
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

谷口 正輝  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (40362628)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
Keywords量子干渉 / 1分子識別 / DNA / トンネル電流 / 量子コンピュータ
Outline of Research at the Start

本研究では、電極―1分子―電極構造を用いて、量子ゲートによる量子計算を用いた量子干渉1分子識別法を開発し、電子的な電極―分子間相互作用と電流経路の量子干渉を同時に解明する。量子干渉1分子識別法は、1分子コンダクタンスを、量子コンピュータで高速・高精度に解析することを可能にするため、生物、医科学、および創薬に革命的なインパクトを与える高精度・高速な化学修飾ゲノム解析法の基盤技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

1分子内におけるプロトンの量子干渉効果を調べるため、まず、プロトンの付加・脱離に伴う1分子コンダクタンスの変化を調べた。具体的には、水酸基、カルボン酸、およびアミノ基を持つL-ドーパと、水酸基とアミン基を持つドーパミンを計測対象とした。これらの分子は、pHにより、プロトンの付加・脱離を制御することが可能である。pH=7.6で、機械的破断接合法を用いて、L-ドーパとドーパミンを計測したところ、スパイク状の電流―時間波形が得られた。最大電流値のヒストグラムから、ともに、最頻値が19pAであった。電流―時間波形の機械学習を行っても、識別精度は57%であった。pH=3では、L-ドーパとドーパミンの最頻電流値は、それぞれ、29pAと16pAであった。得られた電流―時間波形の機械学習から、識別精度が向上し、86%となった。量子化学計算の結果、プロトン付加により、L-ドーパのHOMOのエネルギーが高くなり、ドーパミンのHOMOのエネルギーが低くなることが示唆された。電極―分子間相互作用の大きさが同程度であると仮定すると、1分子コンダクタンスの変化は、HOMOのエネルギー変化が原因である考えられる。この結果は、プロトンの付加・脱離により、1分子コンダクタンスが制御されることを示している。
プロトンの量子干渉が生じる場合、プロトンの付加・脱離による1分子コンダクタンス状態は確率的に観察され、一義的に決定されないと考えられる。そのような状態では、プロトン付加体、または脱離体のみを単離して計測することが不可能となり、単離できない2種類の分子を識別する手法が必要である。そこで、2種類の分子の異なる混合比における波形を学習して、2種類の分子を識別する機械学習法を導入した。グアノシンとチミジンの混合溶液に適用した結果、2種類の分子の高精度識別に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

分子内プロトン移動を想定して、プトロンの付加・脱離における1分子コンダクタンスの違いを識別できることを実証した。しかし、プロトンの量子干渉効果が分子内で生じる場合、異なる1分子コンダクタンス状態が単離されることはなく、2つの状態が確率的に存在することになる。一方、これまでの機械学習は、純粋なAとBの分子の電流―時間波形を計測して学習するため、2種類の分子は単離されなければならなかった。決定できるのは2種類の分子の存在比であり、混合状態の波形を用いて、2種類の分子の波形を識別する手法の開発が課題であった。本年度は、新たな機械学習を導入することで、異なる混合状態のサンプル計測から、2種類の分子を識別する手法の開発に成功した。

Strategy for Future Research Activity

昨年度の研究で、プロトン付加・脱離に伴い、1分子コンダクタンスが変化することを実験とシミレーションの両面から実証した。また、単離できないと予測されるプロトン付加位置が異なる2種の分子を識別する機械学習法の実装に成功した。次年度は、分子内でプトロン付加位置の異なる2種の分子が存在するpH条件下、1分子計測を行い、昨年度、実装した機械学習法を用いて、2種分子の識別と、2種分子の存在比を求める定量解析法を確立する。さらに、pHと分子濃度を変化させて、2種分子の識別と定量解析を行い、プロトン付加・脱離反応速度の導出を行う。1分子計測系は、1nm以下のナノギャップ電極間に形成される強電場環境にあり、電極先端は1原子状態であるため、バルクとは異なる反応が生じると期待される。特に、プトロン付加・脱離反応のポテンシャル障壁をトンネルするプロセスの可能性を、量子化学計算を用いて詳細に検討する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 5 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 5 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Total variation denoising-based method of identifying the states of single molecules in break junction data2024

    • Author(s)
      Komoto Yuki、Ryu Jiho、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Discover Nano

      Volume: 19 Issue: 1 Pages: 20-20

    • DOI

      10.1186/s11671-024-03963-4

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Self-Assembled Monolayers of Gemini-Type Amphiphilic Hexabenzocoronenes on Gold: Contribution of Their Triethylene Glycol Side Chains to Self-Assembly Formation2023

    • Author(s)
      Tanaka Hiroyuki、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 39 Issue: 42 Pages: 15078-15084

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.3c02130

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct biomolecule discrimination in mixed samples using nanogap-based single-molecule electrical measurement2023

    • Author(s)
      Ryu Jiho、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 9103-9103

    • DOI

      10.1038/s41598-023-35724-1

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Machine learning and analytical methods for single-molecule conductance measurements2023

    • Author(s)
      Komoto Yuki、Ryu Jiho、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 59 Issue: 45 Pages: 6796-6810

    • DOI

      10.1039/d3cc01570j

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Single-Molecule Identification of Nucleotides Using a Quantum Computer2023

    • Author(s)
      Taniguchi Masateru、Ohshiro Takahito、Tada Tomofumi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Issue: 30 Pages: 6636-6642

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c02918

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantitative Microscopic Observation of Base?Ligand Interactions via Hydrogen Bonds by Single-Molecule Counting2023

    • Author(s)
      Takashima Yusuke、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Nakatani Kazuhiko、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 145 Issue: 2 Pages: 1310-1318

    • DOI

      10.1021/jacs.2c11260

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Review of the use of nanodevices to detect single molecules2022

    • Author(s)
      Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Analytical Biochemistry

      Volume: 654 Pages: 114645-114645

    • DOI

      10.1016/j.ab.2022.114645

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      2022 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Dependence of Molecular Diode Behaviors on Aromaticity2022

    • Author(s)
      Morikawa Takanori、Tsutsui Makusu、Komoto Yuki、Yokota Kazumichi、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 13 Issue: 27 Pages: 6359-6366

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c01780

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  • [Journal Article] Challenges of the practical applications of solid-state nanopore platforms for sensing biomolecules2022

    • Author(s)
      Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Issue: 7 Pages: 070101-070101

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac7bd4

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      2022 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Single‐Molecule Classification of Aspartic Acid and Leucine by Molecular Recognition through Hydrogen Bonding and Time‐Series Analysis2022

    • Author(s)
      Ryu Jiho、Komoto Yuki、Ohshiro Takahito、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Chemistry - An Asian Journal

      Volume: 17 Issue: 13

    • DOI

      10.1002/asia.202200179

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct observation of DNA alterations induced by a DNA disruptor2022

    • Author(s)
      Ohshiro Takahito、Asai Ayumu、Konno Masamitsu、Ohkawa Mayuka、Komoto Yuki、Ofusa Ken、Ishii Hideshi、Taniguchi Masateru
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6945-6945

    • DOI

      10.1038/s41598-022-10725-8

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  • [Presentation] AI×量子×バイオ×1分子技術の融合2024

    • Author(s)
      谷口正輝
    • Organizer
      第39回関西ライフサイエンス
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  • [Presentation] Methylation measurement of miRNAs using single-molecule quantum sequencer2023

    • Author(s)
      Masateru Taniguchi
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      第110回日本泌尿器科学会総会 Ever Onward~限りなき前進~
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  • [Presentation] Al-nanopore platform for testing rapid infectious diseases2023

    • Author(s)
      Masateru Taniguchi
    • Organizer
      The 5th Monash University-Osaka University Joint Sympojium on Advanced Biomedical Sciences
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    • Author(s)
      谷口正輝
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      日本真空工業会関西支部・日本表面真空学会関西支部・秋季合同講演会
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  • [Presentation] Digital Platform for Developing Rapid Infectious Disease Testing Methods2022

    • Author(s)
      Masateru Taniguchi
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      The 6 th Core Research Cluster for Materials Science Symposium 2022
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  • [Presentation] 量子コンピュータを用いた1分子識別法の開発2022

    • Author(s)
      谷口 正輝、大城 敬人、多田 朋史
    • Organizer
      2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
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    • Invited
  • [Remarks] 谷口研究室

    • URL

      http://www.bionano.sanken.osaka-u.ac.jp/

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  • [Remarks] バイオナノテクノロジー研究分野(谷口(正)研)

    • URL

      http://www.bionano.sanken.osaka-u.ac.jp/

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URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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