Biomaterial design based on chemical structures of protein molecules

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 22H04530
• 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: 林 智広 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (30401574)
• 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: ナノバイオサイエンス / タンパク質 / 機械学習 / ペプチド / バイオマテリアル / 情報科学 / 統計解析

Outline of Research at the Start

本研究の目標は、情報科学を利用したタンパク質分子表面の化学構造の模倣に基づく、新しい材料設計手法の開発である。具体的には、1500種類以上の立体構造が明らかな、人体を構成するタンパク質分子の「表面領域」における官能基の面内分布を網羅的に統計解析し、機械学習により構造パターン情報を抽出する。さらにタンパク質分子の機能との相関を解析し、タンパク質分子が非特異的相互作用を抑制しつつ、酵素反応、分子認識などの機能を平行して発揮するメカニズムを明らかにし、抽出した機能発現のための構造条件を基に、有機材料を中心とした新規材料を設計する手法を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質を識別するために、表面の物理化学的、構造的、幾何学的記述子を利用し、表面特性を定量的に分析した。まず、いくつかの教師あり機械学習アルゴリズム（KNN、LR、RF、SVM）を使用して、HACタンパク質と細胞外タンパク質のバイナリ分類問題を解決した。次に、優れたモデル性能と高いモデル解釈可能性を考慮して、記述子の最終的な特徴重要度分析のためにロジスティック回帰(LR)を選択し解析を行った。その結果電荷に関連する記述子は正の相関を示したが、疎水性、Bファクター、ベータ構造の割合、粗さ、および無秩序領域の割合はHACタンパク質に対して負の相関を示した。また、HACタンパク質の表面において、アミノ酸E、K、Lの各集団とよく折りたたまれた二次構造が、その親水性とコンパクトに折りたたまれた構造において重要な役割を果たしていることが判明した。さらに、HACタンパク質の表面からは、限られたタンパク質の柔軟性と極端な正味電荷が観察され、これは以前の研究で説明されている細胞質タンパク質の混雑した環境での最適化を説明することが出来た。上記の結果によって、表面記述子を用いて、混雑した細胞環境におけるタンパク質表面の特性を識別し、定量化し、説明することができることを示した。

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

• [Journal Article] 研究機関トップからのメッセージ (2023)
  • Author(s): 徳田 英幸、林 智広
  • Journal Title: Oyo Buturi Volume: 92 Issue: 10 Pages: 584-587
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.10_584
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • Year and Date: 2023-10-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Surface Coatings that Repel Biomolecules and Cells: Molecular-Level Mechanisms of Bio-Stealthiness and Material Design Using Informatics (2023)
  • Author(s): HAYASHI Tomohiro
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Colour Material Volume: 96 Issue: 8 Pages: 261-265
  • DOI: 10.4011/shikizai.96.261
  • ISSN: 0010-180X, 1883-2199
  • Year and Date: 2023-08-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of Three-Dimensional Bacterial Adhesion Manner on Model Organic Surfaces Using Quartz Crystal Microbalance with Energy Dissipation Monitoring (2023)
  • Author(s): Glenn Villena Latag,Taichi Nakamura, Debabrata Palai, Evan Angelo Quimada, Tomohiro HayashiMondarte
  • Journal Title: ACS Appl. Bio Mater Volume: 6 Issue: 3 Pages: 1185-1194
  • DOI: 10.1021/acsabm.2c01012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of Hydration States of Ionic Liquids by Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy: Relevance to Stabilization of Protein Molecules (2023)
  • Author(s): Rajapriya Inbaraj Navin、Song Subin、Chang Ryongsok、Fujita Kyoko、Hayashi Tomohiro
  • Journal Title: Langmuir Volume: 39 Issue: 7 Pages: 2558-2568
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02851
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation and Thermal Stability of Ordered Self-Assembled Monolayers by the Adsorption of Amide-Containing Alkanethiols on Au(111) (2023)
  • Author(s): Son Young Ji、Han Jin Wook、Kang Hungu、Seong Sicheon、Han Seulki、Maeda Shoichi、Chikami Shunta、Hayashi Tomohiro、Hara Masahiko、Noh Jaegeun
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 4 Pages: 3241-3241
  • DOI: 10.3390/ijms24043241
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 赤外吸収分光と多変量解析の融合による界面選択的分光 (2023)
  • Author(s): 前田翔一 , 千頭俊太, 林智広
  • Journal Title: Jasco Report Volume: 65 Pages: 48-51
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of Polymerized Layer of Alkylsilane on Surfaces of Silica Filler Materials by Force Spectroscopic Measurements Using Atomic Force Microscope (2022)
  • Author(s): Yuki Arai, Tomohiro Hayashi
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 34 Issue: 11 Pages: 3959
  • DOI: 10.18494/SAM4101
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2022-11-08
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of Biocompatible Monolayers and Polymeric Materials using Informatics (2022)
  • Author(s): 林智広
  • Journal Title: Seikei-Kakou Volume: 34 Issue: 11 Pages: 398-401
  • DOI: 10.4325/seikeikakou.34.398
  • ISSN: 0915-4027, 1883-7417
  • Year and Date: 2022-10-20
  • Open Access
• [Journal Article] Prediction of Serum Adsorption onto Polymer Brush Films by Machine Learning (2022)
  • Author(s): Debabrata Palai, Hiroyuki Tahara, Shunta Chikami, Glenn Villena Latag, Shoichi Maeda, Chisato Nomura, Hideharu Kurioka, Tomohiro Hayashi
  • Journal Title: ACS Biomater. Sci. Eng Volume: 8 Issue: 9 Pages: 3765-3772
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.2c00441
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Surface structure and work function change of pentafluorobenzeneselenolate self-assembled monolayers on Au (111) (2022)
  • Author(s): Sicheon Seong, Hungu Kang, Seulki Han, Young Ji Son, Jiung Jang, Hyo Jae Yoon, Shoichi Maeda, Subin Song
  • Journal Title: Surfaces and Interfaces Volume: 33 Pages: 102228-102228
  • DOI: 10.1016/j.surfin.2022.102228
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental Characterization of Water Condensation Processes on Self-Assembled Monolayers Using a Quartz Crystal Microbalance with Energy Dissipation Monitoring (2022)
  • Author(s): Subin Song, Glenn Villena Latag, Evan Angelo Quimada Mondarte, Ryongsok Chang, Tomohiro Hayashi
  • Journal Title: Micro Volume: 2 Issue: 3 Pages: 513-523
  • DOI: 10.3390/micro2030033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 表面・界面・情報科学の融合による抗付着性コーティング材料の設計 (2022)
  • Author(s): 林智広
  • Journal Title: 日本金属学会会報「まてりあ」 Volume: 61 Pages: 765-765
• [Presentation] (Keynote) Molecular processes at biointerfaces explored by experiments and informatics (2023)
  • Author(s): Tomohiro Hayashi
  • Organizer: 1st International Conference on Nano-bio and Advanced Materials Engineering (NAME-2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hydration of biomaterials: Mechanism underlying protein and cell resistance (2023)
  • Author(s): Tomohiro Hayashi
  • Organizer: Resolv Solvation Summer Camp
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] (Keynote) Biointerfaces explored by experiments and informatics: Mechanism underlying protein and cell resistance (2023)
  • Author(s): Tomohiro Hayashi
  • Organizer: V-Nano
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞の分子認識サイトの分子分解能での可視化 (2023)
  • Author(s): 林智広
  • Organizer: 電子情報通信学会 有機エレクトロニクス研究会 (OME)
  • Invited
• [Presentation] WATER VITRIFICATION IN A MICROCHANNEL AT LOW COOLING RATE (2023)
  • Author(s): Ayane Sato, Tomohiro Hayashi, Tadashi Ishida
  • Organizer: MEMS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Examination of the adhesion tendency of biofilm-forming bacteria on model organic surfaces using quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring (2023)
  • Author(s): Glenn Villena LATAG, Tomohiro HAYASHI
  • Organizer: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 赤外分光と多変量曲線分解を組み合わせた高分子材料表面の水和水の構造解析 (2023)
  • Author(s): 千頭俊太, 前田翔一, SubinSong, 林智広
  • Organizer: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] 赤外分光法と情報科学の融合による 新しい界面選択的振動分光法の開発 (2023)
  • Author(s): 前田翔一, 千頭俊太, Song Subin, 林智広
  • Organizer: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] Prediction of serum adsorption onto polymer brush films by machine learning (2022)
  • Author(s): Shunta Chikami, Tomohiro Hayashi
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] Investigation of hydration states of protein stabilizing ionic liquids by ATR-IR and 1H-NMR spectroscopy (2022)
  • Author(s): Navin Rajapriya INBARAJ, Subin SONG, Ryongsok CHANG, Kyoko FUJITA, Tomohiro HAYASHI
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] Influence of UV/ozone treatment of polymer surfaces on the enhancement of cell adhesion (2022)
  • Author(s): Riko KAIZU, Hiroyuki TAHARA, Glenn Villena LATAG, Tomohiro HAYASHI
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] Investigation of bacterial adhesion on self-assembled monolayers using quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring (2022)
  • Author(s): Glenn Villena LATAG, Taichi NAKAMURA , Debabrata PALAI, Evan Angelo Quimada MONDARTE, Tomohiro HAYASHI
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] Insertion process of DNA nanopores into supported lipid bilayers (2022)
  • Author(s): Zugui PNEG, Glenn Villena LATAG, Hiroyuki TAHARA, Tomohiro HAYASHI, Tohru YAGI
  • Organizer: 第32回MRS年次大会
• [Presentation] Viscoelasticity of water layers on model organic surfaces: analyses by quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring (2022)
  • Author(s): Subin SONG, Glenn Vilena LATAG, Evan Angelo Quimada MONDARTE, Ryongsok CHANG,Tomohiro Hayashi
  • Organizer: 第32回MRS年次大会
• [Presentation] Visualization of RGD distribution formed on material surfaces with nanoscale resolution (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Tahara, Ryongsok Chang, Evan Angelo Quimada Mondarte, Tomohiro Hayashi
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] 高分子表面へのUVオゾン処理の細胞接着への影響とそのメカニズム (2022)
  • Author(s): 海津莉子, 林智広
  • Organizer: 第3回日本Aquaphotomics研究会
• [Presentation] 機械学習による抗バイオファウリングな高分子ブラシ膜の物理・化学構造の評価 (2022)
  • Author(s): 千頭俊太, 前田翔一, 林智広
  • Organizer: 第3回日本Aquaphotomics研究会
• [Presentation] 減衰全反射赤外分光法と多変量曲線分離法を用いたソフトコンタクトレンズの水和水の解析 (2022)
  • Author(s): 前田翔一, 千頭俊太, Subin Song, 林智広
  • Organizer: 第3回日本Aquaphotomics研究会
• [Presentation] 線形分光と情報科学の融合による新しい界面選択的分光:コスト1/20のSFGは実現可能か? (2022)
  • Author(s): 林智広
  • Organizer: 第3回日本Aquaphotomics研究会
• [Presentation] 海外経験と異分野交流で得た研究のダイバーシティ (2022)
  • Author(s): 林智広
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会大会
  • Invited
• [Book] 吸着技術の産業応用~基礎知識・吸着剤の特性・技術応用事例 (2023)
  • Author(s): 林 智広
  • Total Pages: 348
  • Publisher: 情報機構
  • ISBN: 9784865022445
• [Book] 吸着技術の産業応用～基礎知識・吸着剤の特性・技術応用事例～ (2023)
  • Author(s): 大久保 貴広、濱本 芳徳、永廣 卓哉、林 智広など
  • Total Pages: 348
  • Publisher: 情報機構
  • ISBN: 9784865022445
• [Book] 製品利用に向けたバイオマテリアル開発の基本事項と注意点―材料の特徴・材料劣化・表面解析・安全性試験・ニーズ収集― (2022)
  • Author(s): 塙 隆夫、菊池 正紀、田中 賢、林 智広など
  • Total Pages: 306
  • Publisher: 情報機構
  • ISBN: 9784865022360
• [Remarks] 林研究室WEBサイト
  • URL: http://lab.spm.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 分光法による界面領域の測定方法 (2022)
  • Inventor(s): 林智広,松田智昌,一色綾子
  • Industrial Property Rights Holder: 林智広,松田智昌,一色綾子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-165788
  • Filing Date: 2022