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生態環境(夾雑状態)における分子の試行錯誤のリアルタイム1分子観察

公募研究

研究領域マテリアルシンバイオシスための生命物理化学
研究課題/領域番号 21H05511
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関東京工業大学

研究代表者

林 智広  東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (30401574)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワード分子ダイナミクス / 単一分子測定 / 1分子計測 / 生体材料 / ナノバイオ / プローブ顕微鏡 / 表面・界面科学
研究開始時の研究の概要

高時間分解能・単一分子力学測定技術を用いて、分子の会合~結合形成~解離の一連のプロセスをナノ秒スケールで1分子レベルで解析する。これにより、微視的に観察される分子会合・結合形成ダイナミクス(ピコ~ナノ秒)と巨視的に観察される結合キネティクス(秒~時間)を双方向に議論可能な学理を構築する。さらに、生体環境に代表される分子夾雑状態の結合キネティクスへの影響を、微視的分子シミュレーション、巨視的反応速度論で定量的に取り扱うための方法論を確立する。

研究実績の概要

本研究では、以下の3つを達成した。1.制御された分子夾雑状態での生体分子間、生体分子-リガンド間の接近-結合形成-解離のプロセスにおける相互作用力の、ナノ秒スケールの時間分解能でのリアルタイム計測。2.ナノ秒スケールの微視的分子ダイナミクスと秒~時間で観測される巨視的な反応次数・速度定数の相関解析。3.微視的な分子ダイナミクス巨視的キネティクスにおける分子夾雑環境の影響の定量的表現技術の確立。
1では、原子間力顕微鏡と高速デジタイザを組み合わせる手法を開発し、1 nm/秒という極端に遅い速度で分子間の位置を変化させつつ、分子間相互作用を高速サンプリングした。その結果、ストレプトアビジン-ビオチン分子間の相互作用を、10 pN以下の応力分解能、500ナノ秒の時間分解能で解析することに成功した。これにより、過渡状態や非特異的相互作用などによる複数の準安定状態の存在が明らかになり、カンチレバーの位置、変位から結合ポテンシャル地形の全体像を得ることが可能となった。
さらに時間分解能を向上させ、100ナノ秒以下の時間分解能で結合力のダイナミクスを精密計測した。これにより、1分子ダイナミクスの分子シミュレーションと実験の結果の直接比較が可能となり、分子結合形成ダイナミクス(分子の試行錯誤)の詳細に迫ることができた。これらの研究成果は、微視的な分子ダイナミクスと巨視的キネティクスとの間の相関解析、分子夾雑環境の影響の定量的表現技術の確立といったにも貢献する可能性があると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 4件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 図書 (2件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [雑誌論文] Investigation of Hydration States of Ionic Liquids by Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy: Relevance to Stabilization of Protein Molecules2023

    • 著者名/発表者名
      Rajapriya Inbaraj Navin、Song Subin、Chang Ryongsok、Fujita Kyoko、Hayashi Tomohiro
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 39 号: 7 ページ: 2558-2568

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c02851

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Investigation of Three-Dimensional Bacterial Adhesion Manner on Model Organic Surfaces Using Quartz Crystal Microbalance with Energy Dissipation Monitoring2023

    • 著者名/発表者名
      Glenn Villena Latag,Taichi Nakamura, Debabrata Palai, Evan Angelo Quimada, Tomohiro HayashiMondarte
    • 雑誌名

      ACS Appl. Bio Mater

      巻: 6 号: 3 ページ: 1185-1194

    • DOI

      10.1021/acsabm.2c01012

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Characterization of Polymerized Layer of Alkylsilane on Surfaces of Silica Filler Materials by Force Spectroscopic Measurements Using Atomic Force Microscope2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Arai, Tomohiro Hayashi
    • 雑誌名

      Sensors and Materials

      巻: 34 号: 11 ページ: 3959

    • DOI

      10.18494/SAM4101

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • 年月日
      2022-11-08
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 情報科学を用いた生体適合性単分子膜・高分子コーティングの設計2022

    • 著者名/発表者名
      林智広
    • 雑誌名

      成形加工

      巻: 34 号: 11 ページ: 398-401

    • DOI

      10.4325/seikeikakou.34.398

    • ISSN
      0915-4027, 1883-7417
    • 年月日
      2022-10-20
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Prediction of Serum Adsorption onto Polymer Brush Films by Machine Learning2022

    • 著者名/発表者名
      Debabrata Palai, Hiroyuki Tahara, Shunta Chikami, Glenn Villena Latag, Shoichi Maeda, Chisato Nomura, Hideharu Kurioka, Tomohiro Hayashi
    • 雑誌名

      ACS Biomater. Sci. Eng

      巻: 8 号: 9 ページ: 3765-3772

    • DOI

      10.1021/acsbiomaterials.2c00441

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Surface structure and work function change of pentafluorobenzeneselenolate self-assembled monolayers on Au (111)2022

    • 著者名/発表者名
      Sicheon Seong, Hungu Kang, Seulki Han, Young Ji Son, Jiung Jang, Hyo Jae Yoon, Shoichi Maeda, Subin Song
    • 雑誌名

      Surfaces and Interfaces

      巻: 33 ページ: 102228-102228

    • DOI

      10.1016/j.surfin.2022.102228

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Experimental Characterization of Water Condensation Processes on Self-Assembled Monolayers Using a Quartz Crystal Microbalance with Energy Dissipation Monitoring2022

    • 著者名/発表者名
      Subin Song, Glenn Villena Latag, Evan Angelo Quimada Mondarte, Ryongsok Chang, Tomohiro Hayashi
    • 雑誌名

      Micro

      巻: 2 号: 3 ページ: 513-523

    • DOI

      10.3390/micro2030033

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 表面・界面・情報科学の融合による抗付着性コーティング材料の設計2022

    • 著者名/発表者名
      林智広
    • 雑誌名

      日本金属学会会報「まてりあ」

      巻: 61 ページ: 765-765

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Formation and superlattice of long-range and highly ordered alicyclic selenolate monolayers on Au(1 1 1) studied by scanning tunneling microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Hungu Kang, Hyerim Jeong, Sicheon Seong, Seulki Han, Young Ji Son, Hiroyuki Tahara, Tomohiro Hayashi, Hyo Jae Yoon, Jaegeun Noh
    • 雑誌名

      Applied Surface Science

      巻: 572 ページ: 151454-151454

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2021.151454

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] (Keynote) Molecular processes at biointerfaces explored by experiments and informatics2023

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Hayashi
    • 学会等名
      1st International Conference on Nano-bio and Advanced Materials Engineering (NAME-2023)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Prediction of serum adsorption onto polymer brush films by machine learning2022

    • 著者名/発表者名
      Shunta Chikami, Tomohiro Hayashi
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Investigation of hydration states of protein stabilizing ionic liquids by ATR-IR and 1H-NMR spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Navin Rajapriya INBARAJ, Subin SONG, Ryongsok CHANG, Kyoko FUJITA, Tomohiro HAYASHI
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Influence of UV/ozone treatment of polymer surfaces on the enhancement of cell adhesion2022

    • 著者名/発表者名
      Riko KAIZU, Hiroyuki TAHARA, Glenn Villena LATAG, Tomohiro HAYASHI
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Investigation of bacterial adhesion on self-assembled monolayers using quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring2022

    • 著者名/発表者名
      Glenn Villena LATAG, Taichi NAKAMURA , Debabrata PALAI, Evan Angelo Quimada MONDARTE, Tomohiro HAYASHI
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Insertion process of DNA nanopores into supported lipid bilayers2022

    • 著者名/発表者名
      Zugui PNEG, Glenn Villena LATAG, Hiroyuki TAHARA, Tomohiro HAYASHI, Tohru YAGI
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Viscoelasticity of water layers on model organic surfaces: analyses by quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring2022

    • 著者名/発表者名
      Subin SONG, Glenn Vilena LATAG, Evan Angelo Quimada MONDARTE, Ryongsok CHANG, Tomohiro Hayashi
    • 学会等名
      第32回MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高分子表面へのUVオゾン処理の細胞接着への影響とそのメカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      海津莉子、林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習による抗バイオファウリングな高分子ブラシ膜の物理・化学構造の評価2022

    • 著者名/発表者名
      千頭俊太、前田翔一、林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 減衰全反射赤外分光法と多変量曲線分離法を用いたソフトコンタクトレンズの水和水の解析2022

    • 著者名/発表者名
      前田翔一、千頭俊太 、Subin Song、 林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 線形分光と情報科学の融合による新しい界面選択的分光:コスト1/20のSFGは実現可能か?2022

    • 著者名/発表者名
      林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] 海外経験と異分野交流で得た研究のダイバーシティ2022

    • 著者名/発表者名
      林智広
    • 学会等名
      日本バイオマテリアル学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Insertion process of DNA nanopores into supported lipid bilayers2022

    • 著者名/発表者名
      Zugui PNEG, Glenn Villena LATAG, Hiroyuki TAHARA, Tomohiro HAYASHI, Tohru YAGI
    • 学会等名
      第32回MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Viscoelasticity of water layers on model organic surfaces: analyses by quartz crystal microbalance with energy dissipation monitoring2022

    • 著者名/発表者名
      Subin SONG, Glenn Vilena LATAG, Evan Angelo Quimada MONDARTE, Ryongsok CHANG, Tomohiro Hayashi
    • 学会等名
      第32回MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Visualization of RGD distribution formed on material surfaces with nanoscale resolution2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tahara, Ryongsok Chang, Evan Angelo Quimada Mondarte, Tomohiro Hayashi
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高分子表面へのUVオゾン処理の細胞接着への影響とそのメカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      海津莉子, 林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習による抗バイオファウリングな高分子ブラシ膜の物理・化学構造の評価2022

    • 著者名/発表者名
      千頭俊太, 前田翔一, 林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 減衰全反射赤外分光法と多変量曲線分離法を用いたソフトコンタクトレンズの水和水の解析2022

    • 著者名/発表者名
      前田翔一, 千頭俊太, Subin Song, 林智広
    • 学会等名
      第3回日本Aquaphotomics研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 吸着技術の産業応用~基礎知識・吸着剤の特性・技術応用事例~2023

    • 著者名/発表者名
      大久保 貴広、濱本 芳徳、永廣 卓哉、林 智広ら
    • 総ページ数
      348
    • 出版者
      情報機構
    • ISBN
      9784865022445
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [図書] 製品利用に向けたバイオマテリアル開発の基本事項と注意点―材料の特徴・材料劣化・表面解析・安全性試験・ニーズ収集―2022

    • 著者名/発表者名
      塙 隆夫、菊池 正紀、田中 賢、林 智広ら
    • 総ページ数
      306
    • 出版者
      情報機構
    • ISBN
      9784865022360
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [備考] 林研究室WEBサイト

    • URL

      http://lab.spm.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [産業財産権] 分光法による界面領域の測定方法2022

    • 発明者名
      林智広ら
    • 権利者名
      林智広ら
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-165788
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] 分光法による界面領域の測定方法2022

    • 発明者名
      林智広,松田智昌,一色綾子
    • 権利者名
      林智広,松田智昌,一色綾子
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-165788
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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