ソフトインターフェースの分子科学

• Project Area: Molecular Soft-Interface Science
• Project/Area Number: 23106712
• 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: Doshisha University (2012); Kyoto University (2011)
• Principal Investigator: 吉川 研一 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (80110823)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2012: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2011: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 細胞サイズ小胞 / リン脂質２分子膜 / 界面透過法 / 油中水滴 / 人工モデル細胞 / 自由エネルギー汎関数 / 反応拡散方程式 / 波面進行速度 / 膜高分子 / 人工細胞 / 界面

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞サイズの液滴や小胞を取り上げ、マイクロメータ・スケールでのソフト界面の物理化学的特質を明らかにするとともに、微小空間でのタンパク質やDNAの機能制御手法を発展させることを目的としてきた。リン脂質を含む油層中に細胞サイズ液滴を形成させ、それをバルクの水層に移行させることにより、細胞サイズのリン脂質小胞を得るという実験手法が、有用であることが、本研究を通してますます明らかになってきた。
理論的解析の結果から、液滴のサイズが大きいほど油相から界面への移行は容易であるが、界面にはピン止めされる傾向をしめすことが予想された。逆に、小さい液滴ほど、油相から界面への移行は起こり難いが、界面へピン止めされることなく水相に移行するようになることがわかる。これは、実際の実験で観測されている事実と対応している。また、重要な結果として、液滴のサイズに関わらず、液滴はその大半が水相に移行した時点で、その上部が界面にピン止めされる傾向を示すことが、この理論モデルからわかる。また、単分子膜部分と二分子膜部分の相対的な安定性が移行の速度過程に決定的な影響を与えることが予想できる。例えば、荷電脂質を用いることで、二重膜小胞の生成効率が増大することも理論的に予測できる。
以上のように、界面透過法は、今後多様な生体高分子や基質を生体濃度で封入して、細胞サイズのリン脂質膜小胞を構築する汎用的な方法論へと発展してゆくものと期待される。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cell-Sized Liposomes and Droplets: Real-World Modeling of Living Cells (2012)
  • Author(s): Tsutomu Hamada and Kenichi Yoshikawa
  • Journal Title: Materials Volume: 5(11) Issue: 11 Pages: 2292-2305
  • DOI: 10.3390/ma5112292
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase separation in crowded micro-spheroids: DNA-PEG system (2012)
  • Author(s): N. Biswas, M. Ichikawa, Y. Sato, M. Yanagisawa, K. Yoshikawa and A. Datt
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 539 Pages: 157-162
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.05.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of a thread-like pattern with charged phospholipids on an oil/water interface (2012)
  • Author(s): H. Ito, M. Yanagisawa, M. Ichikawa, and K. Yoshikawa
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 136 Issue: 20 Pages: 204903-204903
  • DOI: 10.1063/1.4722079
  • NAID: 120004288054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell-Sized confinement in microspheres accelerates the reaction of gene expression (2012)
  • Author(s): Kato A, Yanagisawa M, Sato YT, Fuiiwara K, Yoshikawa K
  • Journal Title: Scientific Report Volume: 2 Issue: 1 Pages: 283-283
  • DOI: 10.1038/srep00283
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Micro-segregation induced by bulky-head lipids : formation of characteristic patterns in a giant vesicle (2012)
  • Author(s): M.Yanagisawa, N.Shimokawa, M.Ichikawa, K.Yoshikawa
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 8 Issue: 2 Pages: 488-495
  • DOI: 10.1039/c1sm06381b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules (2012)
  • Author(s): Y.Sumino, K.H.Nagai, Y.Shitaka, D.Tanaka, K.Yoshikawa, H.Chate, K.Oiwa
  • Journal Title: Nature Volume: 483 Pages: 448-452
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Vitro Murine Leukemia Retroviral Integration and Structure Fluctuation of Target DNA (2012)
  • Author(s): T.Tsuruyama, W.Liu, K.Yoshikawa
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 7 Issue: 2 Pages: e31533-e31533
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0031533
  • NAID: 120003988223
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Micro-segregation induced by bulky-head lipids : formation of characteristic (2012)
  • Author(s): M.Yanagisawa, N.Shimokawa, M.Ichikawa, K.Yoshikawa
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 8 Pages: 488-495
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] How environmental solution condistion determine the compaction velocity of single DNA moleules (2012)
  • Author(s): Ken Hirano, Masatoshi Ichikawa, Tomomi Ishido, Mitsuru Ishikawa, Yoshinobu Baba, Kenichi Yoshikawa
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 40 Issue: 1 Pages: 284-289
  • DOI: 10.1093/nar/gkr712
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unraveling DNA dynamics using atomic force microscopy (AFM) (2011)
  • Author(s): Yuki Suzuki, Yuko Yoshikawa, Shige H.Yoshimura, Kenichi Yoshikawa, Kunio Takeyasu
  • Journal Title: Wiley Interdisciplinary Reviews : Nanomedicine and Nanobiotechnology Volume: 3 Issue: 6 Pages: 574-588
  • DOI: 10.1002/wnan.150
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Physical Basis of Hierarchical Dynamics in Life: Simple Theory and Real-World Modeling (2013)
  • Author(s): K. Yoshikawa
  • Organizer: Self-Organization and Emergent Dynamics in Active Soft Matter
  • Place of Presentation: Yukawa Institute, Kyoto Univ.
  • Year and Date: 2013-02-18
  • Invited
• [Presentation] 自己組織化と生命：分子と生命をつなぐ架け橋 (2012)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: 第35回日本分子生物学会年会 ワークショップ
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2012-12-11
  • Invited
• [Presentation] Unveiling hierarchical dynamics of life through the corporation of mathematical modeling and real-world modeling (2012)
  • Author(s): K. Yoshikawa
  • Organizer: 2012 International Conference on Modeling, Analysis and Simulation
  • Place of Presentation: Meiji Univ., Tokyo
  • Year and Date: 2012-11-06
  • Invited
• [Presentation] Generation of Macroscopic Regular Motion from Microscopic Fluctuation: Spontaneous Motion through Spontaneous Symmetry Breaking (2012)
  • Author(s): K.Yoshikawa
  • Organizer: Japanese-German-French Workshop,“Physics of Active Soft Matter”
  • Place of Presentation: Heidelberg, Germany
  • Year and Date: 2012-09-24
  • Invited
• [Presentation] How to Bridge Life and Matter through Nonlinear Dynamics? (2012)
  • Author(s): K. Yoshikawa
  • Organizer: Oscillations Dynamic Instabilities in Chemical Systems, Gorden Conference
  • Place of Presentation: Cloby College, ME, USA
  • Year and Date: 2012-07-15
  • Invited
• [Presentation] Self-Organization through Spontaneous Symmetry Breaking : Modeling on the Development of theTooth Germ (2012)
  • Author(s): 今村(滝川)寿子、森田梨津子、辻孝、岩城貴史、吉川研一
  • Organizer: CDB Symposium 2012 : Quantitative Developmental Biology
  • Place of Presentation: 理化学研究所発生・再生科学総合研究センター
  • Year and Date: 2012-03-27
• [Presentation] 荷電リン脂質系が2次元界面上に形成するマイクロメートルスケールのネットワーク構造 (2012)
  • Author(s): 伊藤弘明、柳澤実穂、市川正敏、吉川研一
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ケ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 振動場が誘起する水平面内の回転運動に関する数理モデル (2012)
  • Author(s): 稲垣紫緒、久保善嗣、吉川研一
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ケ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] 低線量γ線によるDNA二重鎖切断確率はDNA濃度に顕著に依存する (2012)
  • Author(s): 下林俊典、吉川研一、森利明、吉川祐子
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ケ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] 空間非対称な興奮場における回転ラセン波除去 (2012)
  • Author(s): 加渡大貴、Marcel Horning、吉川研一
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ケ原キャンパス
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] Direct observation and measurement of thermal fluctuation of single soft nano-tubes (2012)
  • Author(s): A.Yamamoto, M.Ichikawa
  • Organizer: Phase Transition Dynamics in Soft Matter : Bridging Microscale and Mesoscale
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2012-02-21
• [Presentation] Stabilization.of cardiac conduction via rigidity matching between cells and extracellular matrix (2012)
  • Author(s): M.Horning, K.Yoshikawa
  • Organizer: Phase Transition Dynamics in Soft Matter : Bridging Microscale and Mesoscale
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2012-02-20
• [Presentation] Effect of quasi-two dimensional confinement on micro-pattern dynamics in polymer Solution (2012)
  • Author(s): H.Hayashi
  • Organizer: Phase Transition Dynamics in Soft Matter : Bridging Microscale and Mesoscale
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2012-02-20
• [Presentation] Controlling excitation patterns by minimum electric far fi eld : Experiments and simulation on heterogeneous tissue (2012)
  • Author(s): M.Horning, S.Takagi
  • Organizer: The 50th Annual Conference of Japanese Society for Medical arid Biological Engineering, "Medical and Biological Engineering Advance toward next 50
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2012-01-10
• [Presentation] Spontaneous mode-selection of a self-running solid/liquid composite (2012)
  • Author(s): F.Takabatake, N.Magome, M.Ichikawa, K.Yoshikawa
  • Organizer: 2011年度GCOEシンポジウム「階層の連結」
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
• [Presentation] Dynamics of thermal fluctuation of phospholipid nano-tubes through direct observation (2012)
  • Author(s): 山本暁久、市川正敏
  • Organizer: 2011年度GCOEシンポジウム「階層の連結」
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
• [Presentation] Wave Properties in Heterogeneous Excitable Medium (2012)
  • Author(s): 加渡大貴、Marcel Horning、吉川研一
  • Organizer: 2011年度GCOEシンポジウム「階層の連結」
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
• [Presentation] Self-propelled motion of a composite induced by interfacial instability : spontaneous symmetry breaking and mode-bifurcation (2011)
  • Author(s): F.Takabatake, N.Magome, M.Ichikawa, K.Yoshikawa
  • Organizer: Internaional Symposium of Complex Systems 2011
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2011-12-02
• [Presentation] Mode bifurcation of bouncing dimer caused by chiral-asymmetry (2011)
  • Author(s): Y.Kubo, S.Inagaki, K.Yoshikawa
  • Organizer: Internaional, Symposium of Complex Systems 2011
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2011-12-01
• [Presentation] ライデンフロスト液滴の変形と運動モード分岐 (2011)
  • Author(s): 栗村朋、吉川研一、市川正敏
  • Organizer: 第二回京都ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2011-11-19
• [Presentation] Playing with sands : segregation induced by mechanical agitation (2011)
  • Author(s): S.Inagaki, K.Yoshikawa
  • Organizer: Nara Workshop on Fracture and Related Topics
  • Place of Presentation: 奈良女子大学
  • Year and Date: 2011-10-13
• [Presentation] 非チューリング・シナリオ:生物の形態形成の新モデル (2011)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: 明治大学先端数理科学研究科開発記念シンポジウム記念講演会
  • Place of Presentation: 明治大学駿河台キャンパス
  • Year and Date: 2011-10-05
• [Presentation] Cell-rigidity recognition of neighboring cells toward the stabilization of cardiac conduction (2011)
  • Author(s): M.Horning, S.Kidoaki, T.Kawano, K.Yoshikawa
  • Organizer: The 2nd Mini-Symposium on non-equilibrium dynamics of soft matter-International Workshop on Nonlinear Dynamics in Science
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2011-09-26
• [Presentation] 振動場における物体の運動モード分岐に関するモデル (2011)
  • Author(s): 稲垣紫緒、久保善嗣、吉川研一
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
  • Year and Date: 2011-09-22
• [Presentation] 直接観察による脂質ナノチューブの動的物性の解明 (2011)
  • Author(s): 山本暁久、市川正敏
  • Organizer: 第51回生物物理若手の会夏の学校
  • Place of Presentation: 関西セミナーハウス
  • Year and Date: 2011-08-25
• [Presentation] 振動板上のねじれ物体の運動モード分岐 (2011)
  • Author(s): 久保善嗣、稲垣紫緒、吉川研一
  • Organizer: 基研研究会2011非平衡系の物理-ミクロとマクロの架け橋
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2011-08-20
• [Presentation] 液体表面上に浮場する液体窒素液滴の自発的な並進運動:自発的対称性の破れと運動モード分岐 (2011)
  • Author(s): 栗村朋、吉川研一、市川正敏
  • Organizer: 基研研究会2011非平衡系の物理-ミクロとマクロの架け橋
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2011-08-20
• [Presentation] ミクロ水滴上で荷電脂質が形成するネットワーク・パターンとそのダイナミクス (2011)
  • Author(s): 伊藤弘明、柳澤実穂、市川正敏
  • Organizer: 第1回ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2011-08-03
• [Presentation] 揺らぎ運動の直接観察による脂質ナノチューブの動的物性の解明 (2011)
  • Author(s): 山本暁久、市川正敏
  • Organizer: 第1回ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2011-08-03
• [Presentation] 高分子溶液のゲル化・相分離に対する空間的制限効果の検証 (2011)
  • Author(s): 林仁志、市川正敏
  • Organizer: 第1回ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Year and Date: 2011-08-03
• [Presentation] Control of activation sites by low-electric far field pacing in excitable media (2011)
  • Author(s): M.Horning, S.Takagi, K.Yoshikawa
  • Organizer: Engineering of Chemical Complexity
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2011-07-07
• [Presentation] 液滴から学ぶ非線形ダイナミクス (2011)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: シンポジウム創発と自己組織化-魅惑の非線形
  • Place of Presentation: 九州大学西新プラザ
• [Remarks] 細胞や組織の動的な構造と機能
  • URL: http://dmpl.doshisha.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://www.chem.scphys.kyoto-u.ac.jp/index_j.html