2022 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of life-like supramolecular materials based on hierarchical self-assembly
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22H02195
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
窪田 亮 京都大学, 工学研究科, 講師 (00753146)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 超分子 / ヒドロゲル / コアセルベート / 反応拡散 / 共焦点顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、人工超分子で階層的自己組織化を実現し、細胞のような「多成分性」「協働性」「非平衡性」を示す人工超分子システムを創発することである。超分子ヒドロゲルは、ゲル化剤と呼ばれる有機小分子が水中で自発的に自己集合したファイバー状構造体からなる。代表者はこれまでに、複数の構造の異なるゲル化剤の独立な超分子ファイバーからなるヒドロゲルの創出・機能化に成功した。令和４年度（１年目）では、主に超分子－高分子複合ヒドロゲルについて、マイクロスケールでのネットワーク構造の制御を達成した。代表者はこれまでに、ある種のペプチド型ゲル化剤と物理架橋高分子ゲルであるアガロースを混合した複合ヒドロゲルを合成している。この複合ヒドロゲルでは、超分子および高分子ネットワークが独立に存在していることを共焦点レーザー顕微鏡観察から明らかとしている。しかしながら、複合ヒドロゲルにおいて独立なネットワーク以外が存在するかについては不明であった。そこで代表者が保有している種々の超分子ゲル化剤とアガロースから複合ヒドロゲルを作成し、共焦点顕微鏡観察を行ったところ、独立ネットワーク以外に三種類の相互作用ネットワークを発見した。さらにネットワーク構造を決定する支配因子の同定に成功した。興味深いことに、ある種の複合ヒドロゲルにおいて、マイクロニードルで穴を開けることで、複合ヒドロゲルの三次元パターン化に成功した。
また代表者は、ジフェニルアラニンのC末端に嵩高いtBu基を修飾することで、コアセルベートを形成することに成功した。開発したコアセルベートは、内部に様々な（蛍光）小分子を濃縮することが可能であった。その濃縮能を利用することでコアセルベート内部でのペプチド合成に成功した。さらに光ラジカル重合を内部で行うことで、パルス光の時間パターンに応じてコアセルベート物性を制御することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
主に超分子－高分子複合ヒドロゲルについて、マイクロスケールでのネットワーク構造の制御を達成した。代表者はこれまでに、ある種のペプチド型ゲル化剤と物理架橋高分子ゲルであるアガロースを混合した複合ヒドロゲルを合成している。この複合ヒドロゲルでは、超分子および高分子ネットワークが独立に存在していることを共焦点レーザー顕微鏡観察から明らかとしている。しかしながら、複合ヒドロゲルにおいて独立なネットワーク以外が存在するかについては不明であった。そこで代表者が保有している種々の超分子ゲル化剤とアガロースから複合ヒドロゲルを作成し、共焦点顕微鏡観察を行ったところ、独立ネットワーク以外に三種類の相互作用ネットワークを発見した。さらにとして、ネットワーク形成の順番とネットワーク間相互作用がネットワーク構造を決定する支配因子だと同定した。興味深いことに、ある種の複合ヒドロゲルは、時間依存的にsub mmスケールのネットワークが変化することを発見した。この過渡的現象を利用し、複合ヒドロゲルに3Dプリンティングで作成したマイクロニードルでsub mmスケールの穴を開けることでの三次元パターン化に成功した。また代表者は、ジフェニルアラニンのC末端に嵩高いtBu基を修飾することで、コアセルベートを形成することに成功した。コアセルベートは液液相分離から形成する液体性超分子であり、生命の起源研究における区画化に寄与したとして注目を集めている。本研究で開発したコアセルベートは、内部に様々な（蛍光）小分子を濃縮することが可能であった。その濃縮能を利用することでコアセルベート内部でのペプチド合成に成功した。さらに光ラジカル重合を内部で行うことで、パルス光の時間パターンに応じてコアセルベート物性を制御することに成功した。
以上の結果から、当初の予定通り進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の成果を受けて、次年度は「超分子-高分子複合ヒドロゲルの三次元パターニング」の外部刺激制御と機能開拓を目指す。前述した超分子-高分子複合ヒドロゲルにおいて、光応答性ペプチド型ゲル化剤を組み込むことで、光照射による複合ヒドロゲルの三次元パターニングの戦略を構築する。さらに三次元パターン化した複合ヒドロゲルの機能開拓にも挑戦する。具体的には、生体活性分子（ペプチド・タンパク質）の精密配列や薬物徐放材料としての応用を探索する。さらに階層的構造構築のみならず、細胞のような非平衡ダイナミクスを示す超分子システムの構築にも展開する。
また初年度に発見したジペプチド型コアセルベートについても、幅広く発展させる。ジフェニルアラニン骨格を基盤として多様な刺激応答性官能基を修飾することで、機能性コアセルベートの開発に取り組む。具体的には温度応答性や光応答性を評価する。得られた刺激応答性に基づいた構造変化のリアルタイム共焦点観察や物性・機能制御を達成する。
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