Design of Cyclodextrin Gel-type Chemosensors Based on the Reactivity of Boronic Acid Moiety

• Project/Area Number: 22KJ2748
• Project/Area Number (Other): 21J00709 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: Saitama University (2023); Sophia University (2021-2022)
• Principal Investigator: 鈴木 陽太 埼玉大学, 理工学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ボロン酸 / シクロデキストリン / 分子認識 / 超分子複合体 / 糖類 / ヌクレオチド / 蛍光 / ゲル

Outline of Research at the Start

本研究では、生理学的条件であるpH 7.4の水中で効率良く反応が進行する、高い酸性度を持つボロン酸を反応部位とした、疎水性プローブ/シクロデキストリン超分子複合体を新規に合成し、これらの糖類・糖類縁体（ヌクレオチド等）に対するセンシング能を評価する。さらに、合成した超分子複合体を架橋剤によって高分子化することで、生理学的条件において糖類・ヌクレオチド類等の様々な生体関連分子を迅速にセンシングできるシクロデキストリンゲル化学センサーを創製する。

Outline of Annual Research Achievements

病状の診断や生物学的過程の解明のために，生体関連分子のセンシング及びモニタリングが医療や生物学の観点から重要である。本研究課題では、生理学的pHの水中で効率よく反応が進行する，高い酸性度のボロン酸を反応部位とした，種々のプローブ/シクロデキストリン（CyD）超分子複合体（CyD型超分子分析試薬）を開発する（研究１）。さらに，このCyD型超分子分析試薬を高分子化することで，生理学的条件において生体関連分子を迅速にセンシングできるCyD型ゲル状化学センサーを開発する（研究２）。
研究１については，代表的な生体関連分子であるアデノシン三リン酸，及びD-グルコースそれぞれに対して，生理学的pHの水中で非常に高い選択性を示すCyD型超分子分析試薬の開発に成功した。さらに，当初の計画以上の成果として，D-グルコースを高い選択性でキラル認識するCyD型超分子分析試薬の開発にも成功した。令和５年度の成果として，発色団の構造を変えることで，L-糖への選択性を持つCyD型超分子分析試薬の開発にも成功した。このキラル認識機構は非常に興味深いことから，現在，量子化学計算を駆使することで，CyD型超分子分析試薬の包接構造，及び蛍光応答機構に関する知見を得ることを試みている。
研究２については，界面活性剤を用いた逆乳化法によって，極めて微細なサイズを持つCyDナノゲル粒子（粒径10 nm程度，分子量30 kDa程度）の開発に成功した。CyD型超分子分析試薬のための，新しい反応場になり得る素材として期待できる。令和５年度の成果として，高い酸性度を持つボロン酸部位を修飾したCyDナノゲルの評価を行った。しかし，未修飾のCyDナノゲルと比較して水溶性が大きく低下してしまったため，構造の更なる検討（主に修飾部位への水溶性の付与など）が必要であることが分かった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Catania(イタリア)
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] University of Padova(イタリア)
• [Journal Article] The Concept of Cyclodextrin-Based Supramolecular Analytical Reagents (2023)
  • Author(s): SUZUKI Yota、HASHIMOTO Takeshi、HAYASHITA Takashi
  • Journal Title: Oleoscience Volume: 23 Issue: 7 Pages: 367-375
  • DOI: 10.5650/oleoscience.23.367
  • ISSN: 1345-8949, 2187-3461
  • Open Access
• [Journal Article] High-Throughput Analysis of Bacterial Toxic Lipopolysaccharide in Water by Dual-Wavelength Monitoring Using a Ratiometric Fluorescent Chemosensor (2023)
  • Author(s): Kimoto Hiroshi、Takahashi Moeka、Masuko Masakage、Sato Kai、Hirahara Yuya、Iiyama Masamitsu、Suzuki Yota、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95 Issue: 33 Pages: 12349-12357
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01870
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Supramolecular Assemblies of Fluorescent Nitric Oxide Photoreleasers with Ultrasmall Cyclodextrin Nanogels (2023)
  • Author(s): Martins Tassia J.、Parisi Cristina、Suzuki Yota、Hashimoto Takeshi、Nostro Antonia、Ginestra Giovanna、Hayashita Takashi、Sortino Salvatore
  • Journal Title: Molecules Volume: 28 Issue: 15 Pages: 5665-5665
  • DOI: 10.3390/molecules28155665
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Aggregation-Based Bacterial Separation with Gram-Positive Selectivity by Using a Benzoxaborole-Modified Dendrimer (2023)
  • Author(s): Mikagi Ayame、Takahashi Yotaro、Kanzawa Nobuyuki、Suzuki Yota、Tsuchido Yuji、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: Molecules Volume: 28 Issue: 4 Pages: 1704-1704
  • DOI: 10.3390/molecules28041704
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selective ATP recognition by boronic acid-appended cyclodextrin and a fluorescent probe supramolecular complex in water (2023)
  • Author(s): Suzuki Yota、Masuko Masakage、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: - Issue: 15 Pages: 7035-7040
  • DOI: 10.1039/d3nj00139c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of ultrasmall cyclodextrin nanogels by an inverse emulsion method using a cationic surfactant (2023)
  • Author(s): Takeuchi Satomi、Cesari Andrea、Soma Suzuka、Suzuki Yota、Casulli Maria Antonietta、Sato Kai、Mancin Fabrizio、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 27 Pages: 4071-4074
  • DOI: 10.1039/d3cc00523b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ratiometric fluorescence sensing of <scp>d</scp>-allulose using an inclusion complex of γ-cyclodextrin with a benzoxaborole-based probe (2022)
  • Author(s): Suzuki Yota、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 19 Pages: 12145-12151
  • DOI: 10.1039/d2ra00749e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A simple supramolecular complex of boronic acid-appended β-cyclodextrin and a fluorescent boronic acid-based probe with excellent selectivity for <scp>d</scp>-glucose in water (2022)
  • Author(s): Sugita Ko、Suzuki Yota、Tsuchido Yuji、Fujiwara Shoji、Hashimoto Takeshi、Hayashita Takashi
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 31 Pages: 20259-20263
  • DOI: 10.1039/d2ra03567g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recognition of <scp>d</scp>-Glucose in Water with Excellent Sensitivity, Selectivity, and Chiral Selectivity Using γ-Cyclodextrin and Fluorescent Boronic Acid Inclusion Complexes Having a <i>Pseudo</i>-diboronic Acid Moiety (2022)
  • Author(s): Suzuki Yota、Mizuta Yuji、Mikagi Ayame、Misawa-Suzuki Tomoyo、Tsuchido Yuji、Sugaya Tomoaki、Hashimoto Takeshi、Ema Kazuhiro、Hayashita Takashi
  • Journal Title: ACS Sensors Volume: 8 Issue: 1 Pages: 218-227
  • DOI: 10.1021/acssensors.2c02087
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] レシオメトリック型蛍光化学センサーを用いた細菌毒素LPSのハイスループット分析 (2023)
  • Author(s): 木本 洋・高橋 萌香・益子 征景・佐藤 海・平原 裕也・飯山 真充・鈴木 陽太・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 日本分析化学会第72年会
• [Presentation] 優れた包接機能を有する超微細シクロデキストリンナノゲルの開発 (2023)
  • Author(s): 早下 隆士・竹内 聡弥・相馬 涼佳・鈴木 陽太・橋本 剛
  • Organizer: 第39回シクロデキストリンシンポジウム
• [Presentation] シクロデキストリン空孔を反応場として活用する超分子分析試薬の開発 (2023)
  • Author(s): 鈴木陽太
  • Organizer: 第39回シクロデキストリンシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] シクロデキストリン空孔を反応場として活用したD-グルコースの高選択なキラル蛍光認識 (2023)
  • Author(s): 鈴木 陽太・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 日本化学会第103回春季年会
• [Presentation] ベンゾオキサボロール修飾デンドリマーの設計と細菌識別機能評価 (2022)
  • Author(s): 高橋 洋太郎・三ヶ木 彩芽・鈴木 陽太・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 第82回分析化学討論会
• [Presentation] ジピコリルアミン型蛍光プローブ／ボロン酸修飾シクロデキストリン複合体によるリン酸およびヒ酸の検出 (2022)
  • Author(s): 益子 征景・芦埜 知岳・鈴木 陽太・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 第82回分析化学討論会
• [Presentation] Sensing of a rare sugar by inclusion complex of benzoxaborole-based probe with cyclodextrin (2022)
  • Author(s): Yota Suzuki, Takeshi Hashimoto, Takashi Hayashita
  • Organizer: 20th International Cyclodextrin Symposium (20th ICS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガンマシクロデキストリンと蛍光性ボロン酸型プローブの超分子複合体を用いたグルコースの選択的蛍光認識 (2022)
  • Author(s): 鈴木 陽太・水田 祐司・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 第38回シクロデキストリンシンポジウム
• [Presentation] 単純な構造のボロン酸とシクロデキストリンの超分子複合体による水中でのグルコースの選択的センシング (2022)
  • Author(s): 鈴木 陽太・水田 祐司・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 日本分析化学会第71年会
• [Presentation] ジピコリルアミン型超分子蛍光プローブの設計とスペーサー効果によるリン酸誘導体の選択的検出 (2022)
  • Author(s): 益子 征景・鈴木 陽太・橋本 剛・早下 隆士
  • Organizer: 日本分析化学会第71年会
• [Presentation] Fluorescent Chemosensing for D-glucose by Inclusion Complex of γ-Cyclodextrin and Pyridylboronic Acid-based Probe Showing Excellent Chiral Selectivity (2022)
  • Author(s): Yota Suzuki, Takeshi Hashimoto, Takashi Hayashita
  • Organizer: The 8th International Conference on Ion Exchange (ICIE 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of PAMAM Dendrimer Modified with Benzoxaborole for Bacteria Discrimination (2022)
  • Author(s): Yotaro Takahashi, Yota Suzuki, Ayame Mikagi, Takeshi Hashimoto, Takashi Hayashita
  • Organizer: The 8th International Conference on Ion Exchange (ICIE 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Selective Fluorescent Chemosensing for D-glucose in Water Using a Simple Inclusion Complex of Gamma-cyclodextrin with Boronic Acid (2022)
  • Author(s): Yota Suzuki, Takeshi Hashimoto, Takashi Hayashita
  • Organizer: ICPAC Kota Kinabalu 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sensing mechanism of o-azophenylboronic acid-based colorimetric sensors for D-fructose (2021)
  • Author(s): Yota Suzuki, Tomoaki Sugaya, Takashi Hayashita, Koji Ishihara
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ベンゾキサボロール型プローブ/シクロデキストリン超分子錯体による水中での糖類の蛍光認識能の評価 (2021)
  • Author(s): 鈴木 陽太、橋本 剛、早下 隆士
  • Organizer: 第３５回日本イオン交換研究発表会
• [Presentation] ジピコリルアミン型蛍光プローブ／ボロン酸修飾シクロデキストリン複合体の設計とスペーサー効果 (2021)
  • Author(s): 益子 征景、芦埜 知岳、鈴木 陽太、橋本 剛、早下 隆士
  • Organizer: 第３５回日本イオン交換研究発表会
• [Presentation] 高い酸性度を持つボロン酸型プローブとシクロデキストリンの複合体による糖類の分子認識 (2021)
  • Author(s): 鈴木 陽太、橋本 剛、早下 隆士
  • Organizer: 日本分析化学会第７０年会
• [Remarks] 上智大学 分析化学研究グループ ホームページ
  • URL: http://www.mls.sophia.ac.jp/~analysis/
• [Remarks] シクロデキストリン学会 奨励賞 受賞
  • URL: http://www.scdj.jp/index.html
• [Remarks] ブドウ糖“だけ”を捕まえて光る超分子複合体の開発に成功しました
  • URL: https://www.sophia.ac.jp/jpn/article/news/press/221223/
• [Remarks] New Fluorescent Chiral-Selective Receptor System
  • URL: https://www.sophia.ac.jp/eng/article/news/release/press20230302/
• [Remarks] シクロデキストリンの「穴の中」で光るセンサー
  • URL: https://www.chem-station.com/blog/2023/01/cyclodextrin.html
• [Remarks] Supramolecular glucose chemosensor
  • URL: https://sj.jst.go.jp/news/202302/n0215-01k.html
• [Remarks] 上智大学 分析化学研究グループ 早下研究室 ホームページ
  • URL: http://www.mls.sophia.ac.jp/~analysis/
• [Patent(Industrial Property Rights)] キラル糖分子のキラル認識方法および複合体 (2022)
  • Inventor(s): 鈴木 陽太, 早下 隆士, 橋本 剛
  • Industrial Property Rights Holder: 鈴木 陽太, 早下 隆士, 橋本 剛
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022