| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
18H05419
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
金原 数 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (30282578)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中西 和嘉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (20401010)
ラッペン ゲナエル 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (60812576)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥157,690,000 (Direct Cost: ¥121,300,000、Indirect Cost: ¥36,390,000)
Fiscal Year 2022: ¥30,290,000 (Direct Cost: ¥23,300,000、Indirect Cost: ¥6,990,000)
Fiscal Year 2021: ¥30,290,000 (Direct Cost: ¥23,300,000、Indirect Cost: ¥6,990,000)
Fiscal Year 2020: ¥34,840,000 (Direct Cost: ¥26,800,000、Indirect Cost: ¥8,040,000)
Fiscal Year 2019: ¥31,200,000 (Direct Cost: ¥24,000,000、Indirect Cost: ¥7,200,000)
Fiscal Year 2018: ¥31,070,000 (Direct Cost: ¥23,900,000、Indirect Cost: ¥7,170,000)
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| Keywords | 分子機械 / 界面 / 二分子膜 / エネルギー変換 / 発動分子 / イオンチャネル / 両親媒性分子 / 刺激応答性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）交互両親媒性マルチブロック分子：前年度に引き続き，疎水部に双極子モーメントが生じるような非対称構造を有する分子について詳細な検討を行い，二分子膜中での方向性制御に成功するとともに，この分子が電位を始めとする複数の外部刺激に対し応答性を有することを見いだした。また，疎水部にカチオン性基を導入した分子を設計し，これがアニオン輸送能を有することを見いだした。これらの分子の二分子膜中での挙動について，C02-1班の池口グループとの共同研究により，計算化学的解析を行った。
（2）気水界面にある両親媒性分子の分子構造・運動モードによる力学的刺激に対する運動性の変化を調べた。羽ばたき型と回転型のそれぞれの運動モードを有し，自身の運動の静動を蛍光強度の変化や蛍光シフトにより検出できる両親媒性のクロモフォアを用い，力学刺激中の蛍光変化を調べた結果，分子構造・運動モードにより，分子運動への力学エネルギーの影響が大きく異なることが分かった。
（3）前年度に引き続き，GFPおよびBCAIIとオリゴエチレングルコール鎖のハイブリッド型分子の構築を検討し，種々の長さのオリゴエチレン鎖を導入したハイブリッド型分子を得ることに成功した。
（4）温度応答性部位として，オリゴエチレングリコールを導入した両親媒性分子を合成し，その刺激応答性と分子集合体形成挙動について検討した。
（5）螺旋構造を有するプロペラ型ルテニウム錯体を合成し，金属基板上でSTM探針による電子注入/電場印加を施すことで，単一方向の単分子回転運動を誘起させることに成功した。さらに，金(111)表面上に隣接して配置された2つのプロペラ型ルテニウム錯体に対し，相互に噛み合ながら連動した歯車運動を誘起させることに成功した。また，様々な構造を有する分子ギアや，ポルフィリン骨格を有する9種類の双極型ナノカーを新規に設計・合成した。
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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
（1） 今年度の研究計画で示した，交互両親媒性マルチブロック分子について，イオンポンプ高知に向けた重要なステップである，方向性の制御に成功するとともに，輸送されるイオン種の種類を大幅に増やすことができた。さらに，関連した領域内連携研究も順調に進行しており，特にC02-1班との連携研究では，実験的に観測が難しい分子の動的挙動について極めて興味深い知見を得ることができた。
（2）分子が高配向する２次元界面場を利用し，力学的エネルギーを効率よく分子構造・運動変化へ変換させ，それにより分子機能を制御することを目的としている。２次元界面場として，気水界面と金属表面を利用し，それぞれ単分子膜・単分子レベルでの分子制御を試みている。これまで，２次元界面場として気水界面として利用し，気水界面で取り扱うことのできる両親媒性の分子を用い，力学的刺激による構造・運動変化を可能としてきた。
（3）光による分子回転運動の制御を指向し，フォトクロミック性のブレーキ機構を有する分子モーターを設計し合成した。さらに，より複数の分子が連動可能な回転運動伝搬系の構築を指向して，様々な種類の分子ギアが示す歯車運動に関して検討した。一方，異なる大きさの双極子モメントを有するナノカーのSTM探針を用いた運動操作について検討した。
（4）脂質二分子膜を基礎骨格に有する多孔性高分子を新規に設計・合成し，そのメゾ構造の解析に成功した。
以上の成果に加え，A01-2, A01-3, C01-1, C02-1, C02-2班をはじめとする計画班，公募研究メンバーとの間に複数の共同研究を実施している。これらを総合的に考慮し，おおむね順調に推移していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）双極子モーメントを有する交互両親媒性マルチブロック分子についてイオン透過性と選択性，ならびに刺激応答性を詳細に検討するとともに，イオン輸送の方向性に関して検討を行う。触媒リガンド型分子については，実際に有機金属触媒にリガンドとして導入し，得られた錯体の反応性を明らかにする。さらに，触媒反応の進行に伴うダイナミクスの変化やイオン輸送に与える影響について検討する。また，C02-1班との連携により計算化学的手法によるイオン透過機構の解明をすすめるとともに，C01-1班との連携により一分子の動的挙動を観察する。
（2）気水界面において，力学的エネルギーを分子構造や分子運動の変化に変換するために，これまで主に両親媒性分子を研究対象としており，分子構造や運動モードの異なる両親媒性分子が，力学的刺激に対して異なる挙動を示すことを見出してきた。さらにこの，力学的エネルギーをつかった分子制御の適用範囲を広めるため，脂質マトリクス中での非両親媒性分子の制御を検討する。
（3）フォトクロミック性のブレーキ機構を備えた分子モーターについては，合成後，その分子回転運動の光制御に関して検討を行う。分子ギアに関しては，その歯車運動の伝搬効率の向上を指向して，より歯数の多い分子ギアの設計や，歯車運動の伝搬効率に対する金属基板依存性について評価を行う。脂質二分子膜からなる多孔性高分子に関しては，その熱安定性・相転移挙動をはじめとした基礎物性を明らかにするとともに，生体高分子をはじめとしたマクロ分子の取り込み挙動について評価を行う。
（4）GFP及びBCAIIに加えダイニン，キネシン等の生体発動分子を対象としてハイブリッド分子を構築し，その性質を明らかにする。
（5）前年度に引き続き，A01-2, A01-3, C01-1, C02-1, C02-2班との共同研究を続けるともに，新たな研究連携を開始する。
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