2018 Fiscal Year Annual Research Report
酵素反応のバブル噴射で自走する蛋白質マイクロチューブモーターの創製とウイルス捕集
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18H01833
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
小松 晃之 中央大学, 理工学部, 教授 (30298187)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 能次 中央大学, 理工学部, 助教 (40795308)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | カタラーゼ / マイクロチューブ / 交互積層 / 酵素活性 / 自走能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機系ナノ・マイクロチューブの合成と応用に注目が集まっている。研究代表者は多孔性ポリカーボネート膜を用いた独自の鋳型内交互積層法により、中空シリンダー構造の蛋白質ナノ・マイクロチューブの一群を合成し、その内孔空間を利用した様々な機能発現に成功してきた。本研究は、これまでに蓄積した知見を大きく発展させ、「酵素反応のバブル噴射で自走する生体適合性の高い蛋白質マイクロチューブ」の合成に挑戦する。さらに、従来 未着手であった外表面に物質捕捉能を付与する方法も確立し、「動きながらウイルスや菌を捕集できる革新的マイクロシリンダー」として完成する。
①カタラーゼを最内層に有するマイクロチューブの合成と自走現象の動的解析
まず、多孔性ポリカーボネート(PC)膜（孔径1.2μm）を鋳型とした交互積層法により、ポリ(L-アルギニン)／ヒト血清アルブミン（計15層）、ポリ(L-グルタミン酸)／アビジン（計2層）からなるプリカーサ―マイクロチューブを調製した。構造解析は電子顕微鏡観察により行った。得られたチューブの最内層にビオチン化カタラーゼを結合させることで、目的とする蛋白質マイクロチューブを合成した。このチューブの水分散液に過酸化水素水溶液を添加すると（1～5%）、末端開口部から酸素バブルが噴射され、チューブは一方向に前進した。自走現象をハイスピードカメラ装着光学顕微鏡システムで解析。顕微鏡用電動ステージを購入・設置し、効率高い観察を可能とした。また、チューブがプロテアーゼで完全に分解することも実証した。
②酵素活性の調節を利用した自走速度の制御
カタラーゼ活性の至適温度は37℃、至適pHは7.0である。チューブ水分散液の温度とpHを変える（5～50℃、pH 6～9）ことで酵素活性を調節し、自走速度が制御できることを明らかにした。
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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
計画に従い実験を順調に遂行し、2018年度の目標であった「カタラーゼを最内層に有するマイクロチューブの合成と自走現象の動的解析」、「酵素活性の調節を利用した自走速度の制御」の2項目を達成することができた。さらに、当初予想していなかった成果も得られている。本蛋白質マイクロチューブは最内層が酵素（カタラーゼ）で構成されているため、光学顕微鏡で観察した際、チューブ内部が透き通って見えることがわかった。チューブ内で発生した酸素バブルが、その一次元内向空間を移動して末端から噴出されるまでの様子を200フレーム／秒の高速観察システムで解析した。本成果をまとめた論文は、米国化学会誌 ACS Appl. Nano Mater. に掲載され、表紙として紹介された。
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| Strategy for Future Research Activity |
カタラーゼマイクロチューブを自走させることに成功したので、次は、ウレアーゼなど他の酵素を最内層に配置したマイクロチューブを合成し、それらが自走するかどうかを観測する。また、本研究のもう一つの目的は、自走するマイクロチューブの外表面に物質捕集能を持たせることである。そこで、まず外表面をアビジンで修飾したマイクロチューブを調製し、それが様々なビオチン化物質を捕捉できるかどうかを解析する。
①ウレアーゼを最内層に有するマイクロチューブの合成と自走現象の動的解析
最内層にウレアーゼを有するマイクロチューブを合成。Urea＋H2O → 2NH3＋CO2↑の反応が内孔表面で起こるため、チューブは自走すると考えられる。自走速度はカタラーゼマイクロチューブより遅いと予想しており、自走条件の探索が鍵となる。
②アビジンを外表面に有するマイクロチューブの合成とビオチン化物質捕集能の解析
最内層が白金ナノ粒子、最外層がアビジンであるマイクロチューブを合成。様々なビオチン化物質（ナノ粒子、マイクロ粒子、酵素など）が自走するマイクロチューブの外表面に結合する様子を観察する。
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