応答性と運動性を兼ね備えた人工細胞ロボットの構築

• Project Area: Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence
• Project/Area Number: 25104510
• 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: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 濱田 勉 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 准教授 (40432140)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2014: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2013: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 生物物理 / マイクロマシン / 分子モーター / 脂質 / 膜ドメイン / リポソーム / 生体膜 / ベシクル / ペプチド

Outline of Annual Research Achievements

運動する分子ロボットとして、分子モーター・キネシンによって駆動された微小管運動システム、および温度上昇により相分離する高分子システムをそれぞれ細胞サイズ脂質ベシクルに導入し、システムの動的特性を解析した。膜表面上での微小管の自発運動を実現し、微小管どうしの衝突や進行方向変化などの現象をリアルタイムで観察することに成功した。微小管の移動速度は、過去報告されたガラス基板上のものと近い値を得た。また、ベシクル内に導入した相分離システムは、ブラウン運動がバルクと比較して顕著に上昇する事を発見した。
さらに、多数のコンパートメント系を制御するための基盤技術として、膜融合システムの開発を行った。紫外線照射により膜張力が上昇する実験系をデザインし、膜同士の接着、膜孔形成を経た融合プロセスを誘導することに成功した。膜面積変化の測定から、膜表面にかかる自由エネルギーを導出し、融合メカニズムを定式化した。
さらに、膜界面ダイナミクスの制御因子として、静電効果に注目した。生体系における細胞内外のイオン環境の変化は、静電的な相互作用として膜の相分離構造に大きな影響を及ぼしていることが考えられる。これまでの人工膜による相分離研究は、主に脂質分子の疎水基（飽和・不飽和等）の違いをベースにした膜システムで行われてきた。これに対して、静電効果は脂質分子の親水基頭部の電荷が重要となる。実験の結果、不飽和脂質への電荷導入は相分離を抑制するのに対し、飽和脂質への電荷導入は相分離を誘起することを見出した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ag/FeCo/Ag Core/Shell/Shell Magnetic Nanoparticles with Plasmonic Imaging Capability (2015)
  • Author(s): Mari Takahashi , Priyank Mohan , Akiko Nakade , Koichi Higashimine , Derrick Mott , Tsutomu Hamada , Kazuaki Matsumura , Tomohiko Taguchi , and Shinya Maenosono
  • Journal Title: Langmuir Volume: 31 Issue: 7 Pages: 2228-2236
  • DOI: 10.1021/la5046805
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Micrometer-Size Vesicle Formation Triggered by UV Light (2014)
  • Author(s): Tatsuya Shima, Takahiro Muraoka, Tsutomu Hamada, Masamune Morita, Masahiro Takagi, Hajime Fukuoka, Yuichi Inoue, Takashi Sagawa, Akihiko Ishijima, Yuki Omata, Takashi Yamashita, Kazushi Kinbara
  • Journal Title: Langmuir Volume: 30 Pages: 7289-7295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodriven Micrometer-Scale Aqueous-Phase Separation of Amphiphilic Oligoethylene Glycol Analogues (2014)
  • Author(s): Shunichi Kawasaki, Takahiro Muraoka, Haruki Obara, Takerou Ishii, Tsutomu Hamada and Kazushi Kinbara
  • Journal Title: Chemistry, A Asian Journal Volume: 9 Issue: 10 Pages: 2778-2788
  • DOI: 10.1002/asia.201402134
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Charge-induced phase separation in lipid membranes (2014)
  • Author(s): H. Himeno, N. Shimokawa, S. Komura, D. Andelman, T. Hamada, and M. Takagi
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 10 Issue: 40 Pages: 7959-7967
  • DOI: 10.1039/c4sm01089b
  • NAID: 120005624461
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Endo- and Exocytic Budding Transformation of Slow-Diffusing Membrane Domains Induced by Alzheimer’s Amyloid Beta (2014)
  • Author(s): M.Morita, T.Hamada, M. C. Vestergaard, M. Takagi
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 16 Issue: 19 Pages: 8773-8777
  • DOI: 10.1039/c4cp00434e
  • NAID: 120005572722
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 人工細胞システムの創成と構造制御 (2014)
  • Author(s): 濱田勉、市川正敏
  • Journal Title: 生化学 Volume: 86 Pages: 209-213
• [Journal Article] The effect of oxysterols on the interaction of Alzheimer's amyloid beta with model membranes (2013)
  • Author(s): Huong Thi Thanh Phan, Takahiro Hata, Masamune Morita, Tsuyoshi Yoda, Tsutomu Hamada, Mun'delanji C. Vestergaard, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. Volume: 1828 Issue: 11 Pages: 2487-2495
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2013.06.021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical formation of lipid bilayer vesicles from lipid-coated droplets across a planar monolayer at an oil/water interface (2013)
  • Author(s): H. Ito, T. Yamanaka, S. Kato, T . Hamada, M. Takagi, M. Ichikawa, and K. Yoshikawa
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 9 Issue: 40 Pages: 9539-9547
  • DOI: 10.1039/c3sm51766g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Entry of a cationic lytic-type peptide into the cytosol via endocytosis-dependent and–independent pathways in human glioma U251 cells (2013)
  • Author(s): Ohara, K., Kohno, M., Hamada, T., and Kawakami, K
  • Journal Title: Peptides Volume: 50 Pages: 28-35
  • DOI: 10.1016/j.peptides.2013.09.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ナノ粒子－生体膜相互作用の解析：細胞サイズリポソームを用いた物理化学的アプローチ (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Journal Title: BIO INDUSTRY Volume: 30 Pages: 48-53
  • NAID: 120005385908
• [Journal Article] 脂質膜へテロ界面はナノ物質をサイズ依存的に識別する (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 53 Pages: 210-211
• [Presentation] ベクシル内で起こる自発運動 (2015)
  • Author(s): 薮内紀仁、石井健郎、河崎俊一、村岡貴博、金原数、伊藤正樹、角五彰、濱田勉、永井健
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 光応答性分子の導入による膜動態制御 (2015)
  • Author(s): 鈴木由依、石井健郎、水野志野、Zinchenko Anatoly、永井健、濵田勉
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] ナノ粒子吸着ベシクルの非平衡ダイナミクス (2015)
  • Author(s): 太田有紀、執行航希、水野志野、永井健、濵田勉
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 脂質膜とコロイド粒子の複合ダイナミクス (2015)
  • Author(s): 執行航希、太田有紀、水野志野、永井健、濱田勉
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 応答性と運動性を兼ね備えた人工細胞ロボットの構築 (2015)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 分子ロボティクス第5回領域会議
  • Place of Presentation: ラフォーレ伊東(静岡県伊東市)
  • Year and Date: 2015-03-10 – 2015-03-12
• [Presentation] 脂質ベシクルの動態制御と人工細胞モデルへの展開 (2015)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 日本学術振興会 情報科学用有機材料第142委員会
  • Place of Presentation: 麹町ビジネスセンター(東京都千代田区)
  • Year and Date: 2015-03-10
  • Invited
• [Presentation] 細胞モデル膜小胞における相分離系のシステム挙動 (2015)
  • Author(s): 石井健郎、河崎俊一、村岡貴博、金原数、永井健、濵田勉
  • Organizer: 第４回ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス(愛知県名古屋市千種区)
  • Year and Date: 2015-01-06 – 2015-01-08
• [Presentation] 脂質膜が誘起する吸着粒子の時空間ダイナミクス (2015)
  • Author(s): 執行航希、太田有紀、水野志野、永井健、濱田勉
  • Organizer: 第４回ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス(愛知県名古屋市千種区)
  • Year and Date: 2015-01-06 – 2015-01-08
• [Presentation] Artificial cellular membranes toward nanomedicine (2014)
  • Author(s): Tsutomu Hamada
  • Organizer: 8th International Symposium on Nanomedicine
  • Place of Presentation: Ehime Univ.(愛媛県松山市)
  • Year and Date: 2014-12-04 – 2014-12-06
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞膜テクノロジー ～ソフト界面の機能をデザインする～ (2014)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 先端技術講座 “使える”ソフトマター最前線
  • Place of Presentation: 日本化学会館(東京都千代田区)
  • Year and Date: 2014-11-12
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞膜の開発 (2014)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 近畿バイオインダストリー振興会議 フォローアップ勉強会
  • Place of Presentation: 大阪科学技術センター(大阪市西区)
  • Year and Date: 2014-11-06
  • Invited
• [Presentation] Creation and Manipulation of an Artificial Cellular Membrane (2014)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: CBI学会・科研費新学術領域「分子ロボティクス」共催シンポジウム
  • Place of Presentation: タワーホール船堀(東京都江戸川区)
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-29
• [Presentation] 脂質膜面上におけるナノ粒子のダイナミクス (2014)
  • Author(s): 執行航希、太田有紀、水野志野、永井健、濵田勉
  • Organizer: 第3回日本バイオマテリアル学会北陸若手研究発表会
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス(福井県福井市)
  • Year and Date: 2014-10-14
• [Presentation] 人工細胞膜の開発 (2014)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 近畿バイオインダストリー振興会議 技術シーズ公開会
  • Place of Presentation: 大阪科学技術センター(大阪市西区)
  • Year and Date: 2014-09-25
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞膜ロボットの設計-形や動きを操る (2014)
  • Author(s): 濵田勉
  • Organizer: 第63回高分子討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学文教キャンパス(長崎県長崎市)
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] 細胞モデル膜小胞への相分離系の封入とそのシステム挙動 (2014)
  • Author(s): 石井健郎
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学春日井キャンパス(愛知県春日井市)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 膜が駆動するコロイド粒子のダイナミクス (2014)
  • Author(s): 執行航希、水野志野、永井健、濵田勉
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学春日井キャンパス(愛知県春日井市)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Artificial lipid vesicles which produce cellular dynamics (2014)
  • Author(s): Tsutomu Hamada
  • Organizer: Development and future of artificial cells: Computation, fluctuation and evolution
  • Place of Presentation: Kyoto Univ.(京都府京都市左京区)
  • Year and Date: 2014-06-10
• [Presentation] 人工細胞膜テクノロジー ～創薬のための新しい分子デバイス～ (2014)
  • Author(s): 濵田勉、執行航希
  • Organizer: BIO Tech 2014 アカデミックフォーラム
  • Place of Presentation: 東京ビックサイト(東京都江東区)
  • Year and Date: 2014-05-14 – 2014-05-16
• [Presentation] 人工細胞膜の操作技術とナノ医療応用 (2014)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: バイオ・医療・医薬分野へのナノテク応用研究会
  • Place of Presentation: 富山県ものづくり研究開発センター
  • Invited
• [Presentation] 細胞モデル膜小胞の時空間ダイナミクスと機能制御 (2014)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Invited
• [Presentation] 糖修飾磁性－プラズモンハイブリッド ナノ粒子 (2014)
  • Author(s): 高橋 麻里・MOHAN P.・MOTT D.・松村 和明・中出暁子・濱田 勉・前之園 信也
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 人工脂質膜を用いたナノ粒子－生体膜相互作用の解析 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: メディショナルナノテク研究会
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞システム－生体分子で創る動的マイクロ・ナノ空間 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 名古屋大学「マイクロ・ナノシステム工学特別講義」
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 複合ソフトマター系としての細胞モデル実験 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 東北大学大学院理学研究科物理学専攻 セミナー
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] 膜の動態システムを設計する (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: サントリー生命科学財団・生物有機科学研究所 シンポジウム「生体膜における生命現象解明の新展開」
  • Place of Presentation: サントリー生物有機科学研究所（大阪府）
  • Invited
• [Presentation] 膜機能システムの人工構築 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞の設計 -細胞の動的機能を人工的に創り出す- (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: バイオ・高分子研究会
  • Place of Presentation: 山中温泉（石川県）
  • Invited
• [Presentation] 人工細胞の創出に向けた脂質膜インターフェース設計 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 第64回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学
  • Invited
• [Presentation] Membrane lateral heterogeneity mediates the partitioning of nanocolloids in a size-dependent manner (2013)
  • Author(s): Tsutomu Hamada
  • Organizer: International Workshop "From Soft Matter to Protocell"
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Invited
• [Presentation] ミクロ小胞空間に拘束されたDNAの分子挙動 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
• [Presentation] Organization and manipulation of a biomimetic soft interface (2013)
  • Author(s): Tsutomu Hamada
  • Organizer: International Symposium on Advanced Materials Science 2013
  • Place of Presentation: 北陸先端科学技術大学院大学（石川県）
  • Invited
• [Presentation] Synthetic cellular membrane systems (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 情報計算化学生物学会2013年大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京都）
• [Presentation] 人工生体膜カプセル (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 先端ものづくり技術交流セミナー
  • Place of Presentation: 金沢市異業種研修会館
• [Presentation] Artificial lipid vesicles with cellular functions (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 国立遺伝学研究所 セミナー
  • Place of Presentation: 国立遺伝学研究所（静岡県）
• [Presentation] ベシクルの複合化挙動と非平衡細胞モデルへの展開 (2013)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第一回領域研究会
  • Place of Presentation: KKRホテル熱海（静岡県）
• [Presentation] 分子反応系とカップルしたベシクル変形運動 (2013)
  • Author(s): 石井健郎, 河崎俊一, 村岡貴博, 金原数, 濱田勉
  • Organizer: 新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第一回領域研究会
  • Place of Presentation: KKRホテル熱海（静岡県）
• [Presentation] ラクトース修飾された磁性-プラズモンデュアル機能 ナノ粒子の合成とバイオイメージング応用 (2013)
  • Author(s): 高橋麻里, P. Mohan, D. Mott, 松村和明, 中出暁子, 濱田勉, 前之園信也
  • Organizer: 第二回日本バイオマテリアル学会北陸若手研究発表会
  • Place of Presentation: 富山大学
• [Patent(Industrial Property Rights)] ナノ物資の凝集をコントロールする方法およびナノリスク評価方法 (2014)
  • Inventor(s): 濵田勉、水野志野、執行航希
  • Industrial Property Rights Holder: 濵田勉、水野志野、執行航希
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2014-167052
  • Filing Date: 2014-08-20