2017 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ科学とメカトロニクスの融合によるバーチャル分子間相互作用ディスプレイの開発
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15H05511
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
星野 隆行 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00516049)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 走査型電気化学顕微鏡 / 人工脂質膜 / 動電現象 / 脂質分子 / バーチャル電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低加速電子線の裏面照射により生じさせたバーチャル電極（VC, virtual cathode）を用いて，局所の電気化学反応および動電現象を自在に操ることを原理として，（１）人工脂質膜の展開制御および界面不安定化の惹起，（２）生体分子の接触界面の電気化学的イメージングに挑戦した．
（１）細胞膜の機能解析のために，脂質膜の流動性を時空間的に操作し膜中の物質拡散・移動や膜の不安定性などの非平衡ダイナミクスを計測することが必要とされる．バーチャル電極により局所的な静電エネルギーを自在操作することにより，自発展開法によって作られた支持脂質二重膜の流動ダイナミクスや，エッジの曲率の動的な操作を可能とした．バーチャル電極により表面エネルギーが変化することで，SiN 薄膜上の脂質膜を自在に剥離し，ドーズ量によっては剥離した部分に脂質膜を再展開させることが可能である．ローブ状の展開膜に対しては，そのエッジ曲率を可逆的に変形させることを確認した．
（２）バーチャル電極を走査型電気化学顕微鏡（SECM）における走査探針として用い，電解液中に生じるファラデー電流の変化を測定することで，生体試料の接着界面イメージングを行った．細胞-基盤間の接着界面の情報は細胞運動や組織再生を制御する上で重要であり，接着界面の物性情報をイメージング可能な手法が必要とされる．従来， SECMでは生体試料の界面の物性情報を高空間分解能に観察可能とされるが，接着界面の観察では走査探針をアプローチさせられないため測定対象は試料表面に限定される．本課題では，局所的なバーチャル電極を展開膜と支持基板（SiN）間に生じさせ，これを作動電極（走査探針）として用い，ファラデー電流を十分離れた対極によって測定した． ファラデー電流は試料の接触状態と物性情報を反映するので，接着界面のイメージングが可能となる．
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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
局所に印可したバーチャル電極の走査により，生体分子である脂質膜の自在な操作が可能であることを示したことと，生じたファラデー電流を計測することで接着界面の電気化学イメージが取得できたことは本課題の大きな成果である．当初計画では分子の酸化感電反応あるいは力学的作用による不可逆的操作のみを予定していたが，本年度の研究により至適条件が見つかり，可逆的な繰り返し操作が可能であることを確認できたことは当初計画以上の成果として挙げられる．しかしながら，接着界面のイメージングに関しては， 像分解能と電流パスに関しての機序が不明な点があり，今後の実験において取り組んでいく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
エネルギーを使用して運動するたんぱく質分子モーターなどのアクティブマターの機能制御に本研究で得られた技術を応用することを予定している．本年度で得られたバーチャル電極による電気化学的な自在操作を分子機械の知能化と分子機能のスイッチングのインタフェースとして利用し，キネシン-微小管系の運動アッセイなどを対象として，標的とした微小管のみを自在に停止，再滑走，ステアリングなど自在の運動機能制御を予定している．
また，バーチャル電極を時空間的に自在に呈示することで，分子機械の機能をオーバーライドする「分子分解能のMixed Reality」と「分子機械のラピッドプロトタイピング」の可能性を模索する．
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