水分子とイオンによるメカノクロミックバイオセンサの感度制御

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 22H04525
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉原 加織 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60740800)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: メカノクロミックポリマー / ポリジアセチレン / 原子間力顕微鏡 / 摩擦力顕微鏡

Outline of Research at the Start

メカノクロミック素材は、外部から力を加えることで色を変えたり発光したりする材料のことである。その中でもポリジアセチレンは比較的高感度であり、抗体を付加することでウィルスなどの抗原を色によって検出する安価なコロナ検査薬などが開発されている。本研究では、ポリジアセチレンがどの向きに、どの程度の力を加えることでどれだけ発光するのかという「力と発光の相関」が水分子の存在でどのように変化するのかを、近年自身で開発したナノ摩擦力顕微鏡を導入し世界で初めて解明する。ポリジアセチレンの水溶液中での特性を定量的にナノスケールで解き明かすことで、バイオセンサ感度向上を前進させる意義がある。

Outline of Annual Research Achievements

メカノクロミックポリマー、ポリジアセチレンがどの向きに、どの程度の力を加えることでどれだけ発光するのかという「力と発光の相関」が水分子の存在でどのように変化するのかを、近年自身で開発したナノ摩擦力顕微鏡を導入し世界で初めて解明した。ポリジアセチレンは比較的高感度であり、抗体を付加することでウィルスなどの抗原を色によって検出する、現存のものより安価なコロナ検査薬などバイオセンサ開発が進められている。本研究で得られる「水中でどのようなタイプの力に特に反応するのか？」という情報を元に、ポリマーに組み込むレセプターの位置や角度をコントロールすることで、検出物質の付着が発光を効率良く誘起させるようにセンサをデザインし、メカノクロミック・バイオセンサ感度向上を前進させる意義がある。本研究の鍵となるのが近年私の研究室で精度を向上した、ナノ摩擦力顕微鏡という基盤に対して水平・垂直両方の力をナノスケール制御する手法である。ナノ摩擦力顕微鏡と蛍光顕微鏡のダブル・セットアップを水中で稼働させ、ポリジアセチレンの「力と発光の相関」を定量的、異方的、ナノスケール、水溶液中で解明した。イオン濃度やpHを変化させながら「力と発光の相関」を測定することで、ポリジアセチレンの力感度がイオン濃度・pHによって制御できることを発見した。メカノクロミックポリマーを初めて水圏機能材料という視点で捉えることで、その感度・選択性を水によってコントロールするという新たな発想にもとづき、エンジニアリングの可能性を拡張した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Michigan(米国)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院深セン先端技術研究所(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Greifswald(ドイツ)
• [Journal Article] Dual Friction Force/Fluorescence Microscopy (2024)
  • Author(s): Jianlu Zheng, Bratati Das, Kaori Sugihara
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 96,3 Issue: 3 Pages: 949-956
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04625
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a desktop mask charger (2023)
  • Author(s): Taisuke Ikawa, Kaito Fujita, Shota Kiuchi, Muhang Li, Atsuhito Kushima, Hayato Takase, Bratati Das, Megumi Morita, Hiroyuki Todo, Miles Pennington, Kaori Sugihara
  • Journal Title: Heliyon Volume: 9 (4) Issue: 4 Pages: e15359-e15359
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e15359
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanoscopic force sensitivity of polydiacetylene 2D layered composites with guest molecules (2023)
  • Author(s): Bratati Das, Nano Shioda, Shunsuke Yagi, Yuya Oaki, Kaori Sugihara
  • Journal Title: Advanced Materials Interfaces Volume: 11, (2) Issue: 2 Pages: 2300745-2300745
  • DOI: 10.1002/admi.202300745
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dual nano-friction force microscopy/fluorescence microscopy imaging reveals the enhanced force sensitivity of polydiacetylene by pH and NaCl (2023)
  • Author(s): Jianlu Zheng , Seiko Jo, Jiali Chen, Bratati Das, Levente Juhasz, Horacio Cabral, Kaori Sugihara
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95 (30) Issue: 30 Pages: 11335-11341
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01433
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The role of lipid composition in the antimicrobial peptide double cooperative effect (2023)
  • Author(s): Yuge Hou, Kaori Sugihara
  • Journal Title: Langmuir Volume: 39 (24) Issue: 24 Pages: 8441-8449
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00565
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Colorimetric response in polydiacetylene at the single domain level using hyperspectral microscopy (2023)
  • Author(s): Chen Jiali、Zheng Jianlu、Hou Yuge、Sugihara Kaori
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 25 Pages: 3743-3746
  • DOI: 10.1039/d2cc06803f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Unravel the mechanochromism of polydiacetylene by friction force microscopy combined with fluorescence microscopy (2024)
  • Author(s): Jianlu Zheng
  • Organizer: SNU-IIS Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
• [Presentation] Double cooperative effect between antimicrobial peptides (2024)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: Biophysical Society 68th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unraveling the mechanochromism of PDA by dual friciton force/fluorescence microscopy (2024)
  • Author(s): Jianlu Zheng
  • Organizer: The 71st JSAP Spring Meeting
• [Presentation] Hyperspectral imaging-based stimulus recognition patterns of polydiacetylene sensors (2024)
  • Author(s): Jiali Chen
  • Organizer: The 71st JSAP Spring Meeting
• [Presentation] Mechanochromic polymer, polydiacetylene, for force-, bio-sensing applications (2024)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: ENS-UTokyo Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lipid as a building material for biotechnologies (2024)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: Macromolecular Science & Engineering Program Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Biotechnology based on self-assembled lipid structures (2024)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: SNU-IIS Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
  • Invited
• [Presentation] 力を検知して発光するメカノクロミック生体膜 (2024)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 生体膜デザインコンファレンス
  • Invited
• [Presentation] Lipid as a building material for biotechnologies (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 1st IBEN ChE ChemSysm & BioEng Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stimuli Recognition by Polydiacetylene using Hyperspectral Microscopy (2023)
  • Author(s): Jiali Chen
  • Organizer: Materials Research Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unraveling the mechanochromism of polydiacetylene (2023)
  • Author(s): Jianlu Zheng
  • Organizer: IIS PhD Student Live 2023
• [Presentation] Investigation of the polydiacetylene mechanochromism via friction force microscopy combined with fluorescence microscopy (2023)
  • Author(s): Jianlu Zheng
  • Organizer: 2023 MRS Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lipid as a building material for biotechnologies (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: “Women and Future in Science” Seminar Series, RIKEN BDR
  • Invited
• [Presentation] 脂質を用いたバイオエンジニアリング (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 日本膜学会「第45年会」・「膜シンポジウム2023」合同大会
  • Invited
• [Presentation] The mechanistic studies of double cooperative effect between antimicrobial peptides LL-37 and HNP1 (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] Development of biotechnology based on lipid self-assembly (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: SNU-IIS UTokyo Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Biotechnology based on self-assembled lipids (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: Group Seminar, Hanyang University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 水分子とイオンによるメカノクロミックバイオセンサの感度制御 (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 日本化学会化学フェスタ2023 文科省科研費新学術領域研究「水圏機能材料」
  • Invited
• [Presentation] 脂質を用いたバイオテクノロジー (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: バイオマイクロナノテク研究会
  • Invited
• [Presentation] 脂質を用いたバイオテクノロジーの開発 (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング
  • Invited
• [Presentation] Quantitative detection of Force-Fluorescence correlation by self assembled nanostructers at Nanoscale (2023)
  • Author(s): Bratati Das
  • Organizer: Royal Society of Chemistry, 16th International conference on materials chemistry (MC16)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanochromic polymer for developing peptide functional assays (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: Tsinghua-UTokyo Joint Symposium on Chemical Engineering
  • Invited
• [Presentation] 脂質を用いたバイオテクノロジーの開発 (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: 第２回ナイスステップな研究者2022講演会
  • Invited
• [Presentation] 衝撃や温度変化を可視化するメカノクロミック包装紙の開発 (2023)
  • Author(s): Kaori Sugihara
  • Organizer: フジシール財団 2023年度研究助成認定式
  • Invited
• [Presentation] Unraveling the mechanochromism of polydiacetylene under lipid environment (2023)
  • Author(s): Jianlu Zheng
  • Organizer: 化学工学会第88年会
• [Presentation] Quantitative detection of Force-Fluorescence correlation of Soft layered materials at Nanoscale (2023)
  • Author(s): Bratati Das
  • Organizer: The 70th JSAP Spring Meeting
• [Presentation] Lateral Black Lipid Membranes for Studying Peptide-Lipid Interactions (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: MRS Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 異種の抗菌ペプチド混合により発現する新機能を用いた抗菌薬開発 (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: JST創発融合の場 公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 分野と国を旅するキャリアパス (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学学会年会 若手育成・男女共同参画合同ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Mechanochromic polymer for sensing forces in lipid bilayers (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: FEBS Advanced Course Biological Surfaces and Interfaces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanochromic Polymer-Based Biosensing (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: GRC Bioanalytical Sensors
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Antimicrobial peptide double cooperativity (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: IIS Vessel Club Seminar
  • Invited
• [Presentation] 脂質を使ったバイオエンジニアリング (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: オムニバス模擬講義「工学とは何か II」
  • Invited
• [Presentation] 脂質からバイオテクノロジーをつくる (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: 第２回化学が拓くもしかする未来シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Mechanochromic biomembranes for studying peptide-lipid interactions (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] 脂質を使ったバイオエンジニアリング (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: 東京都市大サロン
  • Invited
• [Presentation] 脂質からつくるバイオテクノロジーで健康な社会へ (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: サイエンスアゴラ 化学が拓くもしかする未来
  • Invited
• [Presentation] Lipid as a Building Material for Biotechnologies (2022)
  • Author(s): 杉原 加織
  • Organizer: ナノ学会合同部会シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] オリジナルツールを開発して、脂質の自己組織化を解き明かす
  • URL: https://top-researchers.com/?p=2283
• [Remarks] 脂質の物理化学的な性質を調べ、その知識を活かしたものづくりをする
  • URL: https://20511701.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/20511701/pdf/2022Ttime.pdf
• [Remarks] 第４回 輝く女性研究者賞（ジュン アシダ賞） 受賞者
  • URL: https://www.jst.go.jp/diversity/about/award/award2022.html
• [Remarks] 「ナイスステップな研究者2022」に選ばれた若手研究者が永岡大臣と意見交換
  • URL: https://www.mext.go.jp/b_menu/activity/detail/2023/20230117_3.html
• [Remarks] 力の刺激で色を変える素材 ポリジアセチレン 東大、バイオセンサーに応用
  • URL: https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00666846