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物理的自触媒反応で実現する自己増殖アクティブマター

研究課題

研究課題/領域番号 22K14657
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分32020:機能物性化学関連
研究機関東京大学 (2023)
広島大学 (2022)

研究代表者

松尾 宗征  東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (90869025)

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 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード自己駆動 / 物理的自触媒 / 滴 / フィードバック / 集団運動 / 同期 / シンクロ / Susyems Chemistry / 膜 / 張力 / Systems Chemistry / 自己再生産 / 人工生命 / 生命起源
研究開始時の研究の概要

生物の自己組織化の繰り返しを可能にする要因は、自身の構成物質前駆体(エサ)を食べて増殖することにある。機能性材料の持続性を飛躍的に向上させるためには、この機能を材料へ付与することが有効であるが、これまで実例はない。これは、“エサからの構成成分の再生産”、“肥大・分裂(増殖)”、“エサを自ら獲得するための移動(自己駆動)”という3つの能力をマテリアルへ同時に付与できなかったためである。本研究では“物理的自触媒機構”を内在させた液滴の構成分子と駆動分子の協奏的生成反応系の構築により、世界初の「増殖する自己駆動液滴」を開発することを目指す。

研究実績の概要

本研究では、物理的自触媒反応で増殖するアクティブマターの創製を目指している。前年度は、駆動物質が生成する駆動物質に昇華性をもたせることで、非平衡状態を維持し、自己駆動する新奇自己駆動液滴を開発した。
さらに昨年度は、以下に示す集団効果を見出した。液滴の体積を固定し、液滴の個数を増やした際の液滴が消失するまでの反応時間を計測した。液滴数が多いほど比表面積は大きくなるため、反応時間は短くなると予想される。しかし、液滴数が多くなると反応時間は長くなった。さらに、液滴数が多いと液滴の駆動は抑制された。これらの集団効果は、昇華性駆動物質の生成反応により生じる自己駆動が反応を促進する正のフィードバックと、反応が速いと逆に反応が抑制される負のフィードバックが共存していることを示唆している。
この発見に基づいて本年度は、駆動物質の生産を介した液滴相互作用による集団パターン形成、集団運動の創発を目標にし、これを達成した。このメンチル酢酸からなる液滴は、界面での加水分解反応でメントールと酢酸を生じる。この際、メントールの生成と昇華、および液滴の肥大と収縮が結合することで、液滴が振動運動することが明らかにしてきた。これらの液滴を水面に複数滴下すると、水面に展開したメントールを介して相互作用し、液滴が正多角形の各頂点に配向したパターンを非平衡下で自発的に形成することを見出した。さらに、パターンを形成した液滴どうしの振動運動が同相同期し、その同期精度は液滴数に比例して増加した。これは世界初のSwarming Oscillatorの実証例になると期待される。

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

昨年度は、駆動物質候補化合物の水溶性、昇華性、生成反応速度のバランスから、自己駆動という非平衡状態を維持することが可能と予想される化合物を用いることで、新奇液滴を構築した。さらにこの液滴は、化学反応が進行することで駆動し、さらに駆動は反応を促進することが強く示唆された。本系では、反応と駆動はお互いに促進し合う。生成分子の選択性に基づく化学的な自触媒と異なり、この反応促進は駆動という分子集合体の物理的挙動により実現されることから、この過程は1種の物理的自触媒とみなすことができる。
また、液滴集団において、反応時間の長期化という集団効果が観測されたことから、本研究の自己駆動液滴が集団秩序を創発するアクティブマターとして振る舞うことが期待されていた。本年度は、それを同相同期および集団による同期精度向上の結果によって明らかにした。これらの成果は、世界初のSwarming Oscillatorとみなせる。
以上の事項から目的の3分の2近くを達成しているため、本研究はおおむね順調に進展していると評価した。

今後の研究の推進方策

以下の実現を目指す。
・局所的張力やpHの経時変化の追跡による振動機構の解明
・駆動体によるそれ自体の基質の継続的な摂取による持続的な駆動の実現
・駆動物質生産と駆動物質構成成分の生成のカップリングによる増殖の実現
これらを段階的に行い、物理的自触媒で増殖するアクティブマターの創製を引き続き志向する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 3件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 12件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] Budapest University(ハンガリー)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Toulouse III(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] North Minzu University(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Self-propelled object that generates a boundary with amphiphiles at an air/aqueous interface2024

    • 著者名/発表者名
      Fujita Risa、Matsuo Muneyuki、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Journal of Colloid and Interface Science

      巻: 663 ページ: 329-335

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2024.02.156

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-propelled motion controlled by ionic liquids2024

    • 著者名/発表者名
      Hua Er、Gao Jun、Xu Yu、Matsuo Muneyuki、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 号: 10 ページ: 8488-8493

    • DOI

      10.1039/d3cp05630a

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Height-dependent oscillatory motion of a plastic cup with a camphor disk floated on water2023

    • 著者名/発表者名
      Fujita Risa、Takayama Nami、Matsuo Muneyuki、Iima Makoto、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 25 号: 20 ページ: 14546-14551

    • DOI

      10.1039/d3cp00318c

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Oscillatory Motion of an Organic Droplet Reflecting a Reaction Scheme2023

    • 著者名/発表者名
      Fujino Takuya、Matsuo Muneyuki、Pimienta V?ronique、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 41 ページ: 9279-9284

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c02130

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Up-and-down motion of a Belousov-Zhabotinsky bead in couple with chemical oscillation2023

    • 著者名/発表者名
      Kubodera Yujin、Kuze Masakazu、Kagawa Kazuhiro、Muneyuki Matsuo、Lagzi Istvan、Suematsu Nobuhiko、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 11 ページ: 1-4

    • DOI

      10.3389/fphy.2023.1306533

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Recursively positive and negative chemotaxis coupling with reaction kinetics in self-organized inanimate motion2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Muneyuki、Ejima Kaho、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Journal of Colloid and Interface Science

      巻: 639 ページ: 324-332

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2023.02.039

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sequentially Selective Coalescence of Binary Self-Propelled Droplets upon Collective Motion2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Muneyuki、Hashishita Hiromi、Tanaka Shinpei、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 39 号: 5 ページ: 2073-2079

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c03344

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Originating Point of Traveling Waves on a Spherical Field Dependent on the Nature of Substrate Surface2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Muneyuki、Yasuda Katsunari、Nishi Kei、Kuze Masakazu、Kitahata Hiroyuki、Nishiura Yasumasa、Nakata Satoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 号: 4 ページ: 1841-1847

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c08041

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 超分子自動機械としての人工細胞の構築2022

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Tadashi、Matsuo Muneyuki、Suzuki Kentaro
    • 雑誌名

      有機合成化学協会誌

      巻: 80 号: 12 ページ: 1149-1160

    • DOI

      10.5059/yukigoseikyokaishi.80.1149

    • ISSN
      0037-9980, 1883-6526
    • 年月日
      2022-12-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evolution of Proliferative Model Protocells Highly Responsive to the Environment2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Muneyuki、Toyota Taro、Suzuki Kentaro、Sugawara Tadashi
    • 雑誌名

      Life

      巻: 12 号: 10 ページ: 1635-1635

    • DOI

      10.3390/life12101635

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Chemically Autopoietic Systems2024

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki MATSUO
    • 学会等名
      Poland-Japan joint seminar on spatio-temporal self-organization
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分子集団の回帰性の化学2023

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征
    • 学会等名
      「理論と実験」研究会 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Supramolecular Recursion due to Complex Motility2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki MATSUO
    • 学会等名
      International workshop: Complex motile matter from single agents to collective behaviors
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Self-Reproducing Peptide Droplets: Do Autocatalytic Supramolecules Dream of Autonomous Drugs?2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki MATSUO
    • 学会等名
      NRCT-JSPS Joint Research Program Meeting 2023 “Development of Highly Efficient and -Selective Cancer Therapy via Cell-Membrane Disruption by Chitosan-based Molecular Blocks”
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 化学で創る自律性2023

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征
    • 学会等名
      分子科学研究所-生命創成探究センター合同研究セミナー「生命の分子システムの理解に向けて何を創れば良いか?」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Toward What is beyond Self-Assembled Droplets in Universal Origins of Life2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      ELSI Seminar
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Keynote Lecture: Proliferating Coacervate Droplet Revealing “Droplet World” in Origins of Life2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      International Congress on Pure & Applied Chemistry 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Droplet World in the Origins of Life Revealed by a Membraneless Protocell2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      The 35th Annual JSME conference: Symposium (Major Microbial Transitions: From the origin of life to the origin of the domains)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Synchronization of Self-Oscillating Droplets2023

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      Gordon Research Conference: Oscillations and Dynamic Instabilities in Chemical Systems 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超分子でつなぐ生命起源の化学と生物学2022

    • 著者名/発表者名
      松尾宗征
    • 学会等名
      第24回 植物オルガネラワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Life of Autonomous Droplet2022

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      10th Life in the Universe Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Self-Oscillating Propulsion of Chemically Active Droplet2022

    • 著者名/発表者名
      Muneyuki Matsuo
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [備考] 英国王立化学会 (RSC), Chemistry World

    • URL

      https://www.chemistryworld.com/features/how-protocells-bridge-the-gap-from-chemistry-to-biology/4014886.article

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Popular Mechanis誌(米国)

    • URL

      https://www.popularmechanics.com/science/a39762892/how-did-life-spring-up-from-non-life/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Nature Commun.誌, Top 25 Chem. and Mater. Sciences

    • URL

      https://www.nature.com/collections/gagdjjgcgj

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] プレスリリース:化学物質を感じて自発的に動く物体の構築~環境に応答する微小ロボットの開発に期待~

    • URL

      https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/75860

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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