ソフトマター物理による非対称ミクロゲルの創成と制御

• Project Area: Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence
• Project/Area Number: 25104522
• 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 University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 柳澤 実穂 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50555802)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2014: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2013: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 高分子ゲル / パターン形成 / 相分離 / 濡れ / DNA / ミクロゲル / 自己組織化

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、形や物性において空間的に非対称な高分子ゲルをマイクロメートル・サイズで作成し、それを分子ロボットとして機能させることであった。平成25年度にゼラチンを用いて確立した様々な形を備えた高分子ミクロゲルの作成法を、DNAからなるミクロゲルへ適応した。以下に、特に成果を上げた３つの項目について詳細に述べる。
（１）DNAゲルからなる非球形状のミクロゲル：本研究で用いたDNAは、３種類のオリゴマーから構成される。温度低下に伴い、分岐構造を維持しながら互いに絡まり合い、ネットワーク構造を構築することでゲル化する。このDNA溶液にポリエチレングリコール（PEG）を添加した２成分高分子溶液を用いて、油中にミクロ液滴を作製した。温度低下させることで、DNAはPEGと相分離しながらゲルする。温度履歴や液滴を覆う界面活性剤の種類を変化させることで、三日月形をはじめとする様々な形のDNAミクロゲルを作製することに成功した。
（２）DNAゲルで内側を骨格状に覆われたミクロ液滴：負に帯電するDNAミクロゲルを、正に帯電する膜で覆われた液滴に封入すると、DNAは膜近傍に局在し、骨格状のゲル薄膜を形成した。このゲル骨格構造は、液滴が崩壊する臨界圧力を約10倍大きくするなど、液滴を安定化させる効果があることを見出した。
（３）DNAの構造変化に応じて機能するミクロシステム：ミクロ液滴から取り出したDNAゲルは、エタノールの添加により膨潤・収縮する。この系を用いて、体積相転移に伴い機能発現するDNAゲルの創成が期待できる。また、細胞膜のように脂質２分子膜で覆われた小胞内にDNAゲルを作製することで、膜の半透膜性を利用したDNAの機能が制御できる。例えば、膜内外の浸透圧差がある閾値を超えると、膜に穴が開き、DNA分解酵素が取り込まれることでDNAゲルは崩壊し、膜形態が変化する。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Droplet-Shooting and Size-Filtration (DSSF) Method for Synthesis of Cell-Sized Liposomes with Controlled Lipid Compositions (2015)
  • Author(s): M. Morita, H. Onoe, M. Yanagisawa, H. Ito, M. Ichikawa, K. Fujiwara, H. Saito and M. Takinoue
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 16 Issue: 14 Pages: 2029-2035
  • DOI: 10.1002/cbic.201500354
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Microdroplets as a Model System for the Study of Macromolecular Crowding in Cells (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂, 藤原慶
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 55 Issue: 5 Pages: 246-249
  • DOI: 10.2142/biophys.55.246
  • NAID: 130005100831
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 触感向上，DDS技術への応用ができるミクロなゲルの形状制御技術 (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Journal Title: コスメティックステージ Volume: 9 Pages: 67-72
• [Journal Article] Phase separation in binary polymer solution: gelatin/Poly(ethylene glycol) system (2014)
  • Author(s): M. Yanagisawa, Y. Yamashita, S. Mukai, A. Masahiko, and M. Tokita
  • Journal Title: Journal of Molecular Liquids Volume: 200 Pages: 2-6
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2013.12.035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sol-gel transition and phase separation in ternary system of gelatin-water-poly(ethylene glycol) oligomer (2014)
  • Author(s): Y. Yamashita, M. Yanagisawa, and M. Tokita
  • Journal Title: Journal of Molecular Liquids Volume: 200 Pages: 47-51
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2014.03.016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple patterns of polymer gels in microspheres due to the interplay among phase separation, wetting, and gelation (2014)
  • Author(s): M. Yanagisawa, S. Nigorikawa, T. Sakaue, K. Fujiwara and M. Tokita
  • Journal Title: Proc.Natl. Acad. Sci. USA Volume: 111 Issue: 45 Pages: 15894-15899
  • DOI: 10.1073/pnas.1416592111
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reconstitution of intracellular environments <i>in vitro</i> and in artificial cells (2014)
  • Author(s): Kei Fujiwara, Miho Yanagisawa and Shin-ichiro M. Nomura
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 10 Issue: 0 Pages: 43-48
  • DOI: 10.2142/biophysics.10.43
  • NAID: 130004678426
  • ISSN: 1349-2942
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] DNAゲルの裏打ち構造を備えたエマルションの作製と表面張力測定 (2016)
  • Author(s): 黒川知加子, 藤原慶, 森田雅宗, 川又生吹, 村田智, 瀧ノ上正浩, 柳澤実穂
  • Organizer: 第71回日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ゼラチン・ミクロゲルの局所弾性率に対する脂質膜への濡れの影響 (2016)
  • Author(s): 酒井淳, 柳澤実穂
  • Organizer: 第71回日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Phase transitions of biopolymer blends in cell-sized emulsions coated with a lipid layer (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: ハワイコンベンションセンター（アメリカ）
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞模倣ゲルの弾性率制御 (2015)
  • Author(s): 酒井淳, 柳澤実穂
  • Organizer: 第二回サイボウニクス研究会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2015-12-08
• [Presentation] 相転移を利用したミクロゲルの形と物性の制御法：DDS や化粧品等への応用を目指して (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: 先端技術講座バイオ・アクティブ・ソフトマター
  • Place of Presentation: 日本化学会化学会館（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2015-12-02
  • Invited
• [Presentation] Shape control of biopolymer microgels utilizing model cells (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-15
  • Invited
• [Presentation] How membrane wetting affects elasticity of biopolymer gels in model cells? (2015)
  • Author(s): 酒井淳, 柳澤実穂
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] Liposomes with skeleton network of self-assembled DNA gel mimicking actin corte (2015)
  • Author(s): 黒川知加子, 藤原慶, 森田雅宗, 川又生吹, 村田智, 瀧ノ上正浩, 柳澤実穂
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] ミクロ液滴中で相分離した高分子ゲルの局所弾性率 (2015)
  • Author(s): 酒井淳, 柳澤実穂
  • Organizer: 第14回関東ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2015-08-08
• [Presentation] DNAカプセルで支持されたリポソームの作成と膜変形 (2015)
  • Author(s): 黒川知加子, 藤原慶, 森田雅宗, 川又生吹, 村田智, 瀧ノ上正浩, 柳澤実穂
  • Organizer: 第14回関東ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2015-08-08
• [Presentation] Phase separation and gelation of a polymer blend confined in microdroplets (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: Physics of Structural and Dynamical Hierarchy in Soft Matter
  • Place of Presentation: 東京大学生産技術研究所（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] 細胞サイズ空間へ閉じ込められた高分子混合系の相分離とゲル化の競合 (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: 首都大学東京・ミニ研究環 「ソフトマターを基盤とするバイオ系の構築」
  • Place of Presentation: 首都大学東京（東京都八王子市）
  • Year and Date: 2015-03-09
  • Invited
• [Presentation] 連結したミクロ液滴でのゾルゲルパターン形成 (2015)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: 第5回Yet Another Cell 研究会
  • Place of Presentation: マホロバマインズ三浦（神奈川県三浦市）
  • Year and Date: 2015-02-19
• [Presentation] Spontaneous control of multiple gel shapes by physicochemical interactions with soft interface in meso-scale (2014)
  • Author(s): 柳澤実穂
  • Organizer: Julich Soft Matter Days 2014
  • Place of Presentation: Seminaris Hotel Bad Honnef（ドイツ）
  • Year and Date: 2014-11-11 – 2014-11-14
• [Presentation] ミクロ空間内でのゼラチン・ポリエチレングリコール水溶液の相分離とゲル化に伴うパターン形成 (2014)
  • Author(s): 柳澤実穂, 濁川慎平, 鴇田昌之
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知県春日井市）
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/site/34yanagi/
• [Remarks] 東京農工大学研究者情報サイト
  • URL: http://kenkyu-web.tuat.ac.jp/Profiles/51/0005100/profile.html