2014 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Innovative Materials Engineering Based on Biological Diversity |
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24120004
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| Research Institution | Hamamatsu University School of Medicine |
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Principal Investigator |
針山 孝彦 浜松医科大学, 医学部, 教授 (30165039)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下村 政嗣 千歳科学技術大学, 光科学部, 教授 (10136525)
不動寺 浩 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (20354160)
久保 英夫 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50283346)
石井 大佑 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60435625)
木村 賢一 北海道教育大学, 教育学部, 教授 (80214873)
吉岡 伸也 大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (90324863)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 生物表面構造 / 自己組織化 / サブセルラーサイズ / 構造色 / 太陽電池 / 「いいかげん（好い加減）」 / 極限生物 / NanoSuit法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物表皮形成の自己組織化現象と、光学機能発現メカニズムを明らかにし、以下の3つの成果をあげた。
1) 生物表面のサブセルラーサイズ光学システムを模倣した自己組織化構造色作成 タマムシのクチクラは表角皮がもつ多層膜干渉によって発色している。タマムシをマスターピースとしてシリコーンゴム（PDMS）モールドに転写し、このPDMS モールドからカーボン粒子を含有したエポキシ樹脂で固めたレプリカを作製し、コロイド粒子懸濁液に浸漬して自己組織的に湾曲表面にオパール被覆層を形成させることに成功した。
2) 生物のサブセルラーサイズ構造の自己組織化による形態形成過程解明 ショウジョウバエ野生型の複眼は、約800 個の個眼からなり、各個眼の角膜レンズ表面にサブセルラーサイズのニップル構造パターンが観察された。遺伝子操作実験により、遺伝子とその産物によって細胞外の分泌物の集積が制御されていることがわかった。このニップルパターンの下に微絨毛があり、その周辺にレンズ物質の集積らしき電子密度の高い部分が観察された。
3) 「“厳密ではない構造”だけど、緻密な機能」を実現し、かつ多機能性を保有している構造の発見 蛾の複眼表面には、光の波長以下の規則的に配列した突起構造（モスアイ構造）が存在し、乱れのない規則配列構造により無反射性を獲得していると考えられてきた。しかし、蛾の眼や透明なセミの翅のモスアイ構造において、突起の配列には秩序性が欠落した箇所が無数に存在していた。その乱れにもかかわらず、可視光域で100％に近い透過率であり、高い反射防止効果があることが確認された。物理数学的解析を行い、この配列の乱れがあっても反射率は低く維持されることが確かめられた。また、このモスアイ構造は、無反射性だけでなく、自浄作用（防汚）、昆虫などの滑落性など多機能性を保有していることを実験的に確認することに成功し、製品開発の指針が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
タマムシのクチクラの構造を解析し、その構造からヒントを得て自己組織的な手法によりタマムシモデルをOne pot処理で工学的に作成することに成功した。また、クチクラの自己組織的形成過程をサブセルラーサイズレベルの形態変化の追跡に成功し、遺伝的処理と組み合わせることで、形成過程の大筋がわかった。また、モスアイなどのサブセルラーサイズ構造に「乱れているが機能を十分に備えている」ことを発見し、工学利用に発展できることを明らかにした。これらの研究は特筆に値する。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 自己組織的作成方法による高輝度表面構造の作成：
H26年度までに成功したオパール粒子の3次元構造体への集積技術を拡大して表面積の大きな材料表面にも適応可能にする。そのために、支持基板の素材特性と表面形状を検討し、集積する粒子との適合性を確立する。作成した高輝度反射材の光学的特性を測定し、生物制御技術に落とし込む。この研究の中で色素増感太陽電池作製技術への応用に資する。
2) 生物の形態形成の観察と工業化への検討：
これまでに蛹から成虫脱皮する際に、細胞内アクチン繊維を細胞骨格とする微絨毛の出現と、細胞外分泌物のナノ構造体の形成に密接な関係があることがわかった。H27年度は、3D-SEM やNanoSuit(R)法を駆使して分泌物の構造体と微絨毛の位置関係を明らかにする。また、細胞外分泌物の濃度分布にも注目し、生物のサブセルラーサイズの自己組織化現象がどのタイミングでどのように開始・継続されるかを、透過型電子顕微鏡の立体構築機能と遺伝子制御技術と併用して解析する。
3) 生物の厳密ではない構造が持つ緻密な機能についての解析：
robustness をもっているともいえる良い意味での厳密ではない生物のデザイン・機能性は、つまり、「ある範囲の不規則性は無反射性などの機能の障害にはならない」ことを意味し、有力な工学的設計指針になると考えられる。これまでに知られていない他の生物の多様な光学的機能について同様の解析を試み、“厳密ではない構造”の知見を収集する。そのために、A01 班がもつ生物データベースに基づきサブセルラーサイズ内に隠れている普遍性について調査し、種によらない普遍性を探り、その“構造的乱れ・ゆらぎ”に大きく影響を受けない“機能安定性”の起源を物理学的・数学的学理によって明らかにする。また、これらの機能的多機能性についても研究を促進する。
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Research Products
(41 results)
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[Presentation] Dressing living organism by a thin polymer membrane, NanoSuit, for the FE-SEM observation2014
Author(s)
Takahiko Hariyama, Isao Ohta, Satoshi Hirakawa, Hideaki Kawasaki, Hiroshi Suzuki, Daisuke Ishii, Yoshinori Muranaka, Masatsugu Shimomura, Yasuharu Takaku
Organizer
日本顕微鏡学会 第70回学術講演会
Place of Presentation
幕張メッセ国際会議場（千葉県・千葉市）
Year and Date
2014-05-11 – 2014-05-13
Invited
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