セルロース系分子集合体の集合・水和構造の制御と水圏バイオ機能材料の構築

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 22H04528
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 芹澤 武 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (30284904)
• 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: セルロース / 分子集合体 / 水和構造 / バイオ機能 / 水圏機能材料 / 酵素合成 / 自己集合化 / バイオ機能材料

Outline of Research at the Start

2022年度は、望みの機能性分子や高分子が組み込まれたセルロースからなる集合体を構築するために、反応性基をもつ集合体をあらかじめ酵素合成し、それらに機能性分子や高分子を共有結合により複合化する合成手法（セルロース系分子集合体のポスト機能化）を新たに開拓する。2023年度は、生体類似環境における集合体の分散・構造安定性、タンパク質吸着性、細胞毒性、炎症性などを評価し、これら生体適合性と水和構造との相関について検討する。その後、水圏バイオ機能材料の構築について検討する。

Outline of Annual Research Achievements

「セルロース系分子集合体の生体適合性評価と水圏バイオ機能材料の構築」を実施した。生体類似環境における集合体の分散・構造安定性、タンパク質吸着性、細胞毒性を評価した。セルロース集合体は血清を含む中性付近の緩衝液中に1週間以上に渡って安定に分散し、化学構造や集合構造が変化しなかったことから、水和状態が安定に維持されることが示唆された。集合体表面に長鎖アルキル基や荷電性官能基をもつ場合にはタンパク質の物理吸着が起こるが、それ以外の集合体に対してはタンパク質の物理吸着は一般に起こらないことを見出した。セルロース集合体存在下で動物細胞を培養したところ、細胞は良好に増殖し、目立った細胞毒性を示さないことが分かった。そこで、バイオセンシング材料、薬物の輸送・放出材料、抗菌材料の構築について検討した。抗原リガンド（ビオチンやオリゴエチレングリコールなど）をクリック反応により固定化した集合体では、それぞれのリガンドと特異的に相互作用する抗体を再現性良く高感度に定量検出することに成功した。アルキル基をもつ集合体では、集合体に低分子薬物のモデルである水不溶性の蛍光分子を疎水性効果により安定に担持でき、その後、集合体をセルラーゼにより分解すると蛍光分子が時間依存的に放出できることを見出した。蛍光分子を抗菌薬に置き換えて同様の担持・放出系を構築したところ、集合体の酵素分解を引き金とした抗菌活性の発現に成功し、抗菌剤の活性発現の制御に集合体が利用できることを見出した。アミノ基をもつ集合体の場合、そのもの自体に抗菌活性があること、また、低分子抗菌薬との併用による相乗効果により、抗菌活性を大幅に増強できることを見出した。

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] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
• [Journal Article] Antibacterial Synthetic Nanocelluloses Synergizing with a Metal-Chelating Agent (2024)
  • Author(s): Takeshi Serizawa, Saeko Yamaguchi, Kai Sugiura, Ramona Marten, Akihisa Yamamoto, Yuuki Hata, Toshiki Sawada, Hiroshi Tanaka, and Motomu Tanaka
  • Journal Title: ACS Appl. Bio Mater. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 246-255
  • DOI: 10.1021/acsabm.3c00846
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinguishing anti-PEG antibodies by specificity for the PEG terminus using nanoarchitectonics-based antibiofouling cello-oligosaccharide platforms (2024)
  • Author(s): Sugiura Kai、Sawada Toshiki、Hata Yuuki、Tanaka Hiroshi、Serizawa Takeshi
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry B Volume: 12 Issue: 3 Pages: 650-657
  • DOI: 10.1039/d3tb01723k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface-mediated self-assembly of click-reactive cello-oligosaccharides for fabricating functional nonwoven fabrics (2024)
  • Author(s): Mizuuchi Yudai、Hata Yuuki、Sawada Toshiki、Serizawa Takeshi
  • Journal Title: Science and Technology of Advanced Materials Volume: 25 Issue: 1 Pages: 2311052-2311052
  • DOI: 10.1080/14686996.2024.2311052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interfacial jamming of surface-alkylated synthetic nanocelluloses for structuring liquids (2024)
  • Author(s): Kamada Hirotaka、Hata Yuuki、Sugiura Kai、Sawada Toshiki、Serizawa Takeshi
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 331 Pages: 121896-121896
  • DOI: 10.1016/j.carbpol.2024.121896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthetic Nanocelluloses Fluorescently Responsible to Enzymatic Degradation (2023)
  • Author(s): Koichi Shirokawa, Shoki Tanaka, Izuru Kawamura, Toshiki Sawada, and Takeshi Serizawa
  • Journal Title: Langmuir Volume: 39 Issue: 24 Pages: 8494-8502
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00770
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanospiked paper: Microfibrous cellulose materials nanostructured via partial hydrolysis and self-assembly (2023)
  • Author(s): Hata Yuuki、Hiruma Sumiyo、Sakurai Yuta、Sugiura Kai、Miyazaki Hiromi、Serizawa Takeshi、Nakamura Shingo
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 300 Pages: 120257-120257
  • DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.120257
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cellodextrin Phosphorylase-Catalyzed Single-Process Production and Superior Mechanical Properties of OrganicーInorganic Hybrid Hydrogels Composed of Surface-Carboxylated Synthetic Nanocelluloses and Hydroxyapatite (2022)
  • Author(s): Sugiura Kai、Saito Masashi、Sawada Toshiki、Tanaka Hiroshi、Serizawa Takeshi
  • Journal Title: ACS Sustainable Chemistry & Engineering Volume: 10 Issue: 40 Pages: 13484-13494
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c04349
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alkyl chain length-dependent protein nonadsorption and adsorption properties of crystalline alkyl β-celluloside assemblies (2022)
  • Author(s): Serizawa Takeshi、Yamaguchi Saeko、Amitani Moe、Ishii Sawa、Tsuyuki Hiromi、Tanaka Yukiko、Sawada Toshiki、Kawamura Izuru、Watanabe Go、Tanaka Masaru
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume: 220 Pages: 112898-112898
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2022.112898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phosphorylase-catalyzed synthesis and self-assembled structures of cellulose oligomers in the presence of protein denaturants (2021)
  • Author(s): Sakurai Yuta、Sawada Toshiki、Serizawa Takeshi
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 54 Issue: 4 Pages: 561-569
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00592-x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] セルロースオリゴマーと水溶性多糖の共集合化による植物－動物キメラ型細胞外マトリックス様構造体の形成 (2024)
  • Author(s): 井田貴子, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] セロオリゴ糖の中和誘起自己集合化の変調とゲル力学物性の向上 (2024)
  • Author(s): 田代真優, 秦裕樹, 澤田敏樹, 川村出, 芹澤武
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] ナノシート状セルロース集合体からなる高熱伝導性フィルムの構築 (2024)
  • Author(s): 丸山寛斗,秦裕樹,澤田敏樹,原光生,芹澤武
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] 植物細胞壁の生合成に着想を得たセルロース系複合ハイドロゲルの酵素合成 (2023)
  • Author(s): 桜井勇太, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] Single Process Production of Hybrid Materials Composed of Surface-Carboxylated Cellulose Oligomer Assemblies and Hydroxyapatite (2023)
  • Author(s): Kai Sugiura, Masashi Saito, Toshiki Sawada, Hiroshi Tanaka, Takeshi Serizawa
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] 液－液界面における二次元状セルロース集合体のジャミング特性 (2023)
  • Author(s): 鎌田洋貴, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] ヒアルロン酸とセルロースオリゴマー集合体からなる複合ハイドロゲルの構築 (2023)
  • Author(s): 井田貴子, 桜井勇太, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] ナノシート状セルロース集合体からなるフィルムの熱伝導性評価 (2023)
  • Author(s): 丸山寛斗, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] 自己集合化による構築するセルロースオリゴマーハイドロゲルの集合構造ならびに力学物性の制御 (2023)
  • Author(s): 田代真優, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] ナノスパイク構造を表面にもつマイクロ繊維からなるセルロース材料の創製と医用応用 (2023)
  • Author(s): 秦裕樹, 宮崎裕美, 芹澤武, 中村伸吾
  • Organizer: 第72回高分子年次大会
• [Presentation] Preparation of Cellulose-Based Composite Hydrogels Inspired by Biosynthesis of Plant Cell Wall (2023)
  • Author(s): Yuta Sakurai, Toshiki Sawada, Takeshi Serizawa
  • Organizer: 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC2023)
• [Presentation] Molecularly Designale 2D Cellulose Assembblies as Biosensing Platforms (2023)
  • Author(s): Kai Sugiura, Misaki Hanamura, Toshiki Sawada, Hiroshi Tanaka, Takeshi Serizawa
  • Organizer: 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC2023)
• [Presentation] Jamming of Surface-Alkylated 2D Cellulose Assemblies at the Liquid-Liquid Interface (2023)
  • Author(s): Hirotaka Kamada, Toshiki Sawada, Takeshi Serizawa
  • Organizer: 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC2023)
• [Presentation] ヒアルロン酸とセルロース間の相互作用に基づく複合ハイドロゲル構築 (2023)
  • Author(s): 井田貴子, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第52回医用高分子シンポジウム
• [Presentation] セロオリゴ糖の自己集合化によるナノスパイク表面の構築と細菌付着特性 (2023)
  • Author(s): 秦裕樹, 宮﨑裕美, 中村伸吾, 芹澤武
  • Organizer: 第33回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] アルキル基を表面にもつシート状合成ナノセルロースの界面集合 (2023)
  • Author(s): 鎌田洋貴, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第74回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 細菌を吸着するナノスパイク表面をもつセルロースガーゼの創製 (2023)
  • Author(s): 秦裕樹, 宮﨑裕美, 中村伸吾, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 植物細胞壁に着想を得たセルロースオリゴマー-多糖ネットワーク構造の構築 (2023)
  • Author(s): 桜井勇太, 秦 裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] セルロースオリゴマーと水溶性多糖の共集合化による植物－動物キメラ型細胞外マトリックス様構造体の構築 (2023)
  • Author(s): 井田貴子, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] ナノシート状セルロース集合体からなるフィルムの構築と熱伝導性評価 (2023)
  • Author(s): 丸山寛斗, 秦裕樹, 澤田敏樹, 原光生, 芹澤武
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 結晶性セルロース集合体へのタンパク質吸着現象の分子動力学シミュレーション (2023)
  • Author(s): 石橋広一朗, 石井佐和, 露木弘美, 芹澤武, 渡辺豪
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] セルロースオリゴマー集合体へのリガンド導入とそれを利用した抗体検出 (2023)
  • Author(s): 末廣芙弥, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] セルロースオリゴマーの中和誘起自己集合化を利用した機能性不織布の簡易構築 (2023)
  • Author(s): 水内裕大, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 自己集合化により形成するセルロースオリゴマーゲルの集合構造ならびに力学物性の制御 (2023)
  • Author(s): 田代真優, 秦裕樹, 澤田敏樹, 芹澤武
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 結晶性セルロース集合体に対するタンパク質吸着現象のミクロダイナミクス解明 (2023)
  • Author(s): 石橋広一朗, 石井佐和, 露木弘美, 芹澤武, 渡辺豪
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 分子動力学計算による結晶性セルロース集合体の生体分子吸着特性の解析 (2023)
  • Author(s): 石橋広一朗, 石井佐和, 露木弘美, 芹澤武, 渡辺豪
  • Organizer: 第37回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] セロオリゴ糖の自己集合化によるナノスパイク表面の構築と細菌付着挙動 (2023)
  • Author(s): 岡本紗椰香, 秦裕樹, 宮﨑裕美, 中村伸吾, 芹澤武
  • Organizer: GlycoTOKYO 2023
• [Presentation] Construction of Plant Cell Wall-Inspired Hybrid Polysaccharide Networks via Enzyme-Catalyzed Synthesis of Cellulose Oligomers (2023)
  • Author(s): Yuta Sakurai, Yuuki Hata, Toshiki Sawada, Takeshi Serizawa
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
• [Presentation] Interfacial Properties of Two-Dimensional Cellulose Oligomer Assemblies with Surface-Alkyl Groups (2023)
  • Author(s): Hirotaka Kamada, Yuuki Hata, Toshiki Sawada, Takeshi Serizawa
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
• [Presentation] 片末端修飾セロオリゴ糖の酵素合成と機能創出 (2023)
  • Author(s): 芹澤 武
  • Organizer: 高分子学会関東支部神奈川地区第8回講演会
  • Invited
• [Presentation] 合成ナノセルロースのボトムアップ構築と機能創出 (2023)
  • Author(s): 芹澤 武
  • Organizer: Summer University in Hokkaido
  • Invited
• [Presentation] Synthetic Nanocelluloses: Molecularly Designable Cellulose Oligomer Assemblies (2023)
  • Author(s): Takeshi Serizawa
  • Organizer: Taiwan-Japan Bilateral Polymer Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] セルロースオリゴマー集合体へのリガンドの導入とそれを利用した抗体検出 (2023)
  • Author(s): 末廣芙弥, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] セルロースオリゴマーの自己組織化を利用した機能性不織布の簡易構築 (2023)
  • Author(s): 水内裕大, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] オリゴエチレングリコール鎖を表面にもつセルロース集合体の構築とバイオセンシングへの展開 (2022)
  • Author(s): 杉浦 開, 澤田敏樹, 田中浩士, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子年次会
• [Presentation] 酵素反応に基づく堅牢なセルロース系複合ハイドロゲルの創製 (2022)
  • Author(s): 桜井勇太, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子年次会
• [Presentation] 合成ナノセルロースを用いる抗PEG抗体の高感度検出システムの構築 (2022)
  • Author(s): 杉浦 開, 澤田敏樹, 田中浩士, 芹澤 武
  • Organizer: 第51回医用高分子シンポジウム
• [Presentation] 植物細胞壁に着想を得た堅牢なセルロース系ハイドロゲルの酵素合成 (2022)
  • Author(s): 桜井勇太, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 合成ナノセルロースを利用した抗PEG抗体の高感度検出 (2022)
  • Author(s): 杉浦 開, 澤田敏樹, 田中浩士, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 合成ナノセルロース/バイオミネラル複合ハイドロゲルの一段階酵素合成と力学物性 (2022)
  • Author(s): 杉浦 開, 齋藤政司, 澤田敏樹, 田中浩士, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] アルキル基をもつセルロースオリゴマーによる機能紙の簡易構築 (2022)
  • Author(s): 網谷 萌, 澤田俊樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 二分子膜状セルロース集合体への蛍光分子の内包とセルラーゼ検出への展開 (2022)
  • Author(s): 城川晃一, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 分子動力学計算による結晶性セルロース集合体に対するタンパク質の吸着ダイナミクス解明 (2022)
  • Author(s): 石井佐和, 露木弘美, 芹澤 武, 渡辺 豪
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] セルロースオリゴマーの自己集合化を利用した機能性不織布の簡易構築 (2022)
  • Author(s): 水内裕大, 澤田俊樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] 表面にアルキル基をもつ二次元状セルロース集合体の界面集積特性 (2022)
  • Author(s): 鎌田洋貴, 杉浦 開, 澤田敏樹, 芹澤 武
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] セルロース系分子集合体の集合・水和構造の制御と水圏バイオ機能材料の構築 (2022)
  • Author(s): 芹澤 武
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] 合成ナノセルロース：ボトムアップ構築と機能制御 (2022)
  • Author(s): 芹澤 武
  • Organizer: 第19回日本糖質科学コンソーシアム
  • Invited
• [Presentation] 合成ナノセルロースの分子デザインと機能 (2022)
  • Author(s): 芹澤 武
  • Organizer: 第16回多糖の未来フォーラム
  • Invited
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.serizawa-cap.mac.titech.ac.jp/
• [Remarks] 東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 抗PEG抗体結合材料および抗PEG抗体の検出方法 (2023)
  • Inventor(s): 芹澤 武，澤田敏樹，西浦聖人
  • Industrial Property Rights Holder: 芹澤 武，澤田敏樹，西浦聖人
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-138749
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] ゲル化剤、液体組成物及びハイドロゲル (2023)
  • Inventor(s): 芹澤 武，澤田敏樹，早川なつき，西浦聖人
  • Industrial Property Rights Holder: 東京工業大学，第一工業製薬
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-048520
  • Filing Date: 2023