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二本鎖DNAを利用した時空間制御ゲルの創製

研究課題

研究課題/領域番号 20J22044
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分35010:高分子化学関連
研究機関東京大学

研究代表者

大平 征史  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
2022年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワードゲル / DNA / 小角中性子散乱
研究開始時の研究の概要

生体内の細胞は生体分子が物理結合によって架橋された物理ゲル内に存在している。このように物理ゲルは我々の身近に溢れているにも関わらず、高度に架橋制御された物理ゲルの理論的研究は殆ど無かった。これは、物理結合自体の分子認識力が低いために、不均一な網目構造を有していたためである。本研究では二本鎖DNAを架橋点に用いて、空間と時間が制御されたゲルの創製し、それを多角的な評価を行う。これらの実験により、従来の不均一を内包した物理ゲルでは不明であった微細な結合状態と巨視的な機械的強度の関係が明らかにする。

研究実績の概要

本研究は二本鎖DNAの解離挙動が塩基配列で調製できることに注目して、粘弾性を予測・制御可能なハイドロゲルの創成を目的としている。昨年度は、ポリエチレングリコール(PEG)に末端にDNAを修飾する反応条件の検討をし、適切な条件を確立した。
本年度は昨年度で確立されたPEG-DNA修飾法を用いて、実際にハイドロゲルを合成することに成功した。合成されたゲルの粘弾性挙動と二本鎖DNAの解離挙動の関係性を評価した。粘弾性挙動の評価には回転式レオメータ、二本鎖DNAの解離挙動の評価には蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)に伴う蛍光強度の変化を利用した。ゲルの粘弾性挙動は瞬間的に一定ひずみを与える測定(step-strain test)と、正弦波ひずみを与える測定(oscillatory test)の二つの手法を用いた。これらの手法を組み合わせることによって、幅広い時間スケールの粘弾性挙動を正確に評価することが可能である。ゲルの粘弾性は最も単純な粘弾性要素であるMaxwell要素一つのみで記述ことが判明し、粘弾性挙動を表現する時定数である、応力緩和時間τRは10度の温度差で二桁以上の変化を見せた。二本鎖DNAの解離挙動はFRETを用いた蛍光分光法により評価した。具体的には二本鎖DNAの5’末端に蛍光色素(FAM)とクエンチャー(BHQ1)を修飾し、蛍光強度の時間変化を利用し解離挙動を評価した。解離反応の時定数(解離反応速度定数の逆数)と等しく、二本鎖DNAの解離挙動が均一な網目構造を通して粘弾性挙動に反映していることが判明した。
これら一連の結果は、国際科学雑誌に英語原著論文として掲載された。また、国内外の複数の報道機関で当研究結果が取り上げられた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

均一な網目を有するDNAゲルの合成に成功し、分光的手法的によりゲル内のDNAの分子挙動を直接観測した。ゲルの粘弾性を種々の温度条件で測定することにより、ゲル内のDNAの分子挙動を粘弾性挙動は密接に関係していることが判明した。さらに、小角中性子散乱を用いたゲル網目の構造解析も実施し、ゲル網目が極めて均一な構造を有することが判明した。
本年度確立した合成・解析スキームはDNAの塩基配列を変化せでも有効であり、DNAゲルの理解を大きく進めたために、現在研究は概ね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

当初の計画どおり、DNAの塩基配列を変化さえることにより、ゲルの粘弾性の制御を目指す。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Nanoscale Structures of Poly(oligo ethylene glycol methyl ether methacrylate) Hydrogels Revealed by Small-Angle Neutron Scattering2022

    • 著者名/発表者名
      Kureha Takuma、Ohira Masashi、Takahashi Yuki、Li Xiang、Gilbert Elliot P.、Shibayama Mitsuhiro
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 55 号: 5 ページ: 1844-1854

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c02259

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Star-Polymer-DNA Gels Showing Highly Predictable and Tunable Mechanical Responses2022

    • 著者名/発表者名
      Ohira Masashi、Katashima Takuya、Naito Mitsuru、Aoki Daisuke、Yoshikawa Yusuke、Iwase Hiroki、Takata Shin‐ichi、Miyata Kanjiro、Chung Ung‐il、Sakai Takamasa、Shibayama Mitsuhiro、Li Xiang
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 34 号: 13 ページ: 2108818-2108818

    • DOI

      10.1002/adma.202108818

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topology Transformation toward Cyclic, Figure-Eight-Shaped, and Cross-Linked Polymers Based on the Dynamic Behavior of a Bis(hindered amino)disulfide Linker2021

    • 著者名/発表者名
      Yokochi Hirogi、Ohira Masashi、Oka Minami、Honda Satoshi、Li Xiang、Aoki Daisuke、Otsuka Hideyuki
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 54 号: 21 ページ: 9992-10000

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c01437

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Structure Analysis of a Near-Ideal Polymer Network with Deuterium Label by Small-Angle Neutron Scattering2020

    • 著者名/発表者名
      Ohira Masashi、Tsuji Yui、Watanabe Nobuyuki、Morishima Ken、Gilbert Elliot P.、Li Xiang、Shibayama Mitsuhiro
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 53 号: 10 ページ: 4047-4054

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.9b02695

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Characterization of N-phenylmaleimide-terminated poly(ethylene glycol)s and their application to a tetra-arm poly(ethylene glycol) gel2020

    • 著者名/発表者名
      Takashima Rikito、Ohira Masashi、Yokochi Hirogi、Aoki Daisuke、Li Xiang、Otsuka Hideyuki
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 16 号: 48 ページ: 10869-10875

    • DOI

      10.1039/d0sm01658f

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Selective Doping of Positive and Negative Spatial Defects into Polymer Gels by Tuning the Pregel Packing Conditions of Star Polymers2020

    • 著者名/発表者名
      Tsuji Yui、Nakagawa Shintaro、Gupit Caidric Indaya、Ohira Masashi、Shibayama Mitsuhiro、Li Xiang
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 53 号: 17 ページ: 7537-7545

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.0c01208

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 理想的な網目構造と予測可能なレオロジー特性を有する DNA ゲルの創製2021

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、片島 拓弥、内藤 瑞、青木 大輔、酒井 祟匡、柴山 充弘、Li Xiang
    • 学会等名
      第70回高分子年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 理想的な網目構造と予測可能なレオロジー特性を有する DNA ゲルの創製2021

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、片島 拓弥、内藤 瑞、青木 大輔、酒井 祟匡、柴山 充弘、Li Xiang
    • 学会等名
      第69回レオロジー討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 二本鎖DNAにより架橋された理想的な網目を持つ物理ゲルの粘弾性特性と分子挙動の関係性2021

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、片島 拓弥、内藤 瑞、青木 大輔、酒井 祟匡、柴山 充弘、Li Xiang
    • 学会等名
      日本化学会 第102回春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 重水素化ラベルを用いた小角中性子散乱による理想的な高分子網目の定量的解析2020

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、辻 由依、Li Xiang、酒井 祟匡、柴山 充弘
    • 学会等名
      日本中性子科学会 第20回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] DNAゲルの構造と物性評価2020

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、内藤 瑞、酒井 祟匡、柴山 充弘、Li Xiang
    • 学会等名
      2020年度関東高分子若手会研究会 学生発表会・交流会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 二本鎖 DNA によって架橋された温度応答性物理ゲルの網目の構造解析2020

    • 著者名/発表者名
      大平征史、Li Xiang、内藤瑞、柴山充弘
    • 学会等名
      2020年度関東高分子若手会サマーキャンプ
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 重水素化ラベルを用いた小角中性子散乱による理想的な高分子網目の定量的解析2020

    • 著者名/発表者名
      大平 征史、辻 由依、Li Xiang、酒井 祟匡、柴山 充弘
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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