Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
生体様のダイナミック性を有する代謝サイクル模倣ハイドロゲルを材料基盤として、本来の生物学的プロセスでは関連性のない生物学的イベントをカスケード化する『無細胞シグナル伝達システム』の構築および材料設計方法論の体系化を目的とする。本研究課題は、疾患を始めとする重要な生命現象をダイナミックに制御する材料や、酵素反応のカスケード化による診断、検出デバイスとして実社会に質する機能性材料としての応用性を有する。
本研究では栄養摂取、代謝、そして老廃物排泄により維持される生体から着想を得て、生体高分子を燃料として、過渡的な構造変化および物性変化を生じるハイドロゲル材料を実証し、その設計原理を体系化することを目的とした。具体的には燃料としてカチオン性の酵素であるリゾチームをモデルとして用い、2-Hydroxypropyl methacrylamideおよび架橋剤としてN,N'-methylenebismethacrylamideからなるハイドロゲルを母体として、負電荷モノマー(methacrylic acid)およびタンパク質分解酵素モノマー(acrylated trypsin)を導入することで、リゾチームに対する親和性および分解性を有するハイドロゲルを作製した。本ハイドロゲルはリゾチームの添加に応答した過渡的な体積変動を生じることがわかった。また、過渡的な体積変化応答に際して、燃料リゾチームの摂取、分解およびリゾチーム酵素活性の消失が生じることも明らかとなった。更に過渡的な体積収縮挙動によって、ハイドロゲルの機械的強度が一時的に増加することも明らかとなった。以上のように、生理学的に活性な酵素を化学燃料として材料の過渡的体積変動および機械的強度変化に変換するハイドロゲルを開発した。更に、ハイドロゲルが有する2種の素機能（親和性・分解能）からなる閉回路モデルを用いて、リゾチームに応答したハイドロゲルの過渡的応答の設計原理を体系化した。本研究課題で明らかにした複数要素からなる人工材料のボトムアップエンジニアリングによる分子システムは、人工散逸システム設計に基づき生物学的プロセスにダイナミックに介入する人工材料に向けた革新的な設計概念となり、疾患を始めとする重要な生命現象の制御や、酵素反応のカスケード化による診断、検出デバイスなどへの応用が期待される。
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
All 2023 2022
All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results, Invited: 1 results)
Journal of Materials Chemistry B
Volume: 11 Issue: 34 Pages: 8136-8141
10.1039/d3tb00638g
Biomacromolecules
Volume: in press Issue: 5 Pages: 2369-2379
10.1021/acs.biomac.3c00235
Volume: -
ACS Appl. Mater. Interfaces
Volume: 14 Issue: 46 Pages: 51790-51797
10.1021/acsami.2c16454
