メカノクロミックポリマーを用いたバイオセンサの感度向上

• 研究課題/領域番号: 22K03544
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 杉原 加織 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60740800)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: メカノクロミックポリマー / 摩擦力顕微鏡 / 原子間力顕微鏡

研究開始時の研究の概要

メカノクロミック素材は、外部から力を加えることで色を変えたり発光したりする材料のことである。本研究では、メカノクロミックポリマー、ポリジアセチレンがどの向きに、どの程度の力を加えることでどれだけ発光するのかという「力と発光の定量的ナノスケールでの相関」を、近年自身で開発した「ナノ摩擦力顕微鏡」を導入することで解明する。メカノクロミック素材を理解する上で核となる問いを明らかにすることで、色の変化から検査結果が分かる簡易・安価なバイオセンサ開発を前進させる意義がある。

研究実績の概要

ポリジアセチレンは、バイオセンシングによく用いられるメカノクロミック材料である。pH依存性や塩濃度依存性など、刺激により色を変化させるその特性は、脂質ポリマーの頭基同士の相互作用の影響を強く受けることが以前から知られていたが、そのナノスケールでの影響は未解明であった。本研究では、ナノ摩擦力顕微鏡と蛍光顕微鏡を組み合わせて、ナノスケールでのポリジアセチレンの力感受性に及ぼすpHとイオン強度の影響を調べた。その結果、pHを5.7から8.2に上昇させると、力感受性が8倍向上することがわかった。また、NaCl濃度を10 mMから200 mMに上げると、PDAの力感受性が5倍向上した。これらの結果は、ナノスケールにおけるPDAの力感受性は、pHやイオンによってあらかじめ刺激する（pre-stimulation）ことによって簡便に向上させることができることを示唆している（Anal. Chem. 2023）。
次に、本研究ではポリジアセチレンに「ゲスト分子」を入れた時に、その混合物がメカノクロミズムに与える影響をナノスケールで調べた。蛍光顕微鏡と定量的摩擦力顕微鏡を組み合わせることで、ゲスト有機アミンを含むPDA層状複合体のナノスケールでの力感受性を測定した。ノニルアミンと1-アミノデカンを介在させると、10,12-ペンタコサジエン酸の感度がそれぞれ127%と111%増加するのに対し、n-トリデカイルアミンとステアリルアミンを加えると77%と86%減少する。このナノスケールでの力感受性は、サーモクロミック温度およびフィルムのヤング率と逆相関しており、より柔らかいフィルムほど力感受性と熱感受性の両方が高いことが示唆される。
以上のようにポリジアセチレンが環境によって力感度をどのように変化させるのかを調べる基礎研究を行なってきた。様々な身の回りの力を検出するセンサ開発に応用する意義がある。

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

申請書に記述した実験１ー４のうち、３までは終了した。博士の学生１人とポスドク１人によってこれらの実験を完了した。実験については大きな問題もなく進み、数本の論文を出版したが、その中でも以下の二つが本研究の鍵となる成果である。
Dual nano-friction force microscopy/fluorescence microscopy imaging reveals the enhanced force sensitivity of polydiacetylene by pH and NaCl, Zheng, J.; Jo, S.; Chen, J.; Das, B.; Juhasz, L.; Cabral, H.; Sugihara, K.*, Anal. Chem. 2023, 95 (30), 11335-11341
Nanoscopic force sensitivity of polydiacetylene 2D layered composites with guest molecules, Das, B.; Shioda, N.; Yagi, S.; Oaki, Y.; Sugihara, K.*, Adv Mater Interfaces 2023 DOI: 10.1002/admi.202300745

今後の研究の推進方策

来年度は、実験４：力感度が混合物に依存するのか？についてさらに研究を進めていく。混合物としては、すでに実験を行なっているゲスト分子に加え、リン酸脂質を調べる。ポリジアセチレンは、人間の細胞膜の主原料であるリン酸脂質と混合することでペプチドに対する検出感度が上がることが知られている。混合物がポリマーの力感度を変化させているのか？この問いに答えるために、ポリジアセチレンにリン酸脂質を組み込むことで、力応答がどのように変化するのかを調べる。長期的には本研究で得られる「どのようなタイプの力に特に反応するのか？」という情報を元に、ポリマーに組み込むレセプターの位置や角度をコントロールすることで、検出物質の付着が発光を効率良く誘起させるようにバイオセンサをデザインし、感度向上を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] University of Michigan(米国)
• [国際共同研究] 中国科学院深セン先端技術研究所(中国)
• [雑誌論文] Dual Friction Force/Fluorescence Microscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng, Bratati Das, Kaori Sugihara
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 96,3 号: 3 ページ: 949-956
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04625
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a desktop mask charger (2023)
  • 著者名/発表者名: Taisuke Ikawa, Kaito Fujita, Shota Kiuchi, Muhang Li, Atsuhito Kushima, Hayato Takase, Bratati Das, Megumi Morita, Hiroyuki Todo, Miles Pennington, Kaori Sugihara
  • 雑誌名: Heliyon 巻: 9 (4) 号: 4 ページ: e15359-e15359
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e15359
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanoscopic force sensitivity of polydiacetylene 2D layered composites with guest molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Bratati Das, Nano Shioda, Shunsuke Yagi, Yuya Oaki, Kaori Sugihara
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 11, (2) 号: 2 ページ: 2300745-2300745
  • DOI: 10.1002/admi.202300745
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dual nano-friction force microscopy/fluorescence microscopy imaging reveals the enhanced force sensitivity of polydiacetylene by pH and NaCl (2023)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng , Seiko Jo, Jiali Chen, Bratati Das, Levente Juhasz, Horacio Cabral, Kaori Sugihara
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 95 (30) 号: 30 ページ: 11335-11341
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c01433
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The role of lipid composition in the antimicrobial peptide double cooperative effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuge Hou, Kaori Sugihara
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 39 (24) 号: 24 ページ: 8441-8449
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00565
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Unravel the mechanochromism of polydiacetylene by friction force microscopy combined with fluorescence microscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng
  • 学会等名: SNU-IIS Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
• [学会発表] Double cooperative effect between antimicrobial peptides (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: Biophysical Society 68th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Unraveling the mechanochromism of PDA by dual friciton force/fluorescence microscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng
  • 学会等名: The 71st JSAP Spring Meeting
• [学会発表] Hyperspectral imaging-based stimulus recognition patterns of polydiacetylene sensors (2024)
  • 著者名/発表者名: Jiali Chen
  • 学会等名: The 71st JSAP Spring Meeting
• [学会発表] Mechanochromic polymer, polydiacetylene, for force-, bio-sensing applications (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: ENS-UTokyo Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lipid as a building material for biotechnologies (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: Macromolecular Science & Engineering Program Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biotechnology based on self-assembled lipid structures (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: SNU-IIS Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
  • 招待講演
• [学会発表] 力を検知して発光するメカノクロミック生体膜 (2024)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 生体膜デザインコンファレンス
  • 招待講演
• [学会発表] Lipid as a building material for biotechnologies (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 1st IBEN ChE ChemSysm & BioEng Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stimuli Recognition by Polydiacetylene using Hyperspectral Microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Jiali Chen
  • 学会等名: Materials Research Society
  • 国際学会
• [学会発表] Unraveling the mechanochromism of polydiacetylene (2023)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng
  • 学会等名: IIS PhD Student Live 2023
• [学会発表] Investigation of the polydiacetylene mechanochromism via friction force microscopy combined with fluorescence microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Jianlu Zheng
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Lipid as a building material for biotechnologies (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: “Women and Future in Science” Seminar Series, RIKEN BDR
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質を用いたバイオエンジニアリング (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 日本膜学会「第45年会」・「膜シンポジウム2023」合同大会
  • 招待講演
• [学会発表] The mechanistic studies of double cooperative effect between antimicrobial peptides LL-37 and HNP1 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Development of biotechnology based on lipid self-assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: SNU-IIS UTokyo Joint Workshop on Innovative Micro/Nano Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biotechnology based on self-assembled lipids (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: Group Seminar, Hanyang University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 水分子とイオンによるメカノクロミックバイオセンサの感度制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 日本化学会化学フェスタ2023 文科省科研費新学術領域研究「水圏機能材料」
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質を用いたバイオテクノロジー (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: バイオマイクロナノテク研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質を用いたバイオテクノロジーの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] Quantitative detection of Force-Fluorescence correlation by self assembled nanostructers at Nanoscale (2023)
  • 著者名/発表者名: Bratati Das
  • 学会等名: Royal Society of Chemistry, 16th International conference on materials chemistry (MC16)
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanochromic polymer for developing peptide functional assays (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: Tsinghua-UTokyo Joint Symposium on Chemical Engineering
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質を用いたバイオテクノロジーの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: 第２回ナイスステップな研究者2022講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 衝撃や温度変化を可視化するメカノクロミック包装紙の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugihara
  • 学会等名: フジシール財団 2023年度研究助成認定式
  • 招待講演