光物理作用による超越分子システムのボトムアップ構築

• 研究領域: 生物を陵駕する無細胞分子システムのボトムアップ構築学
• 研究課題/領域番号: 22H05423
• 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: 大阪大学
• 研究代表者: 吉川 洋史 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50551173)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円); 2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2022年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
• キーワード: レーザー操作 / レーザー加工 / 超越分子システム / タンパク質 / 生体分子 / ソフトマター / 拡散 / 相分離 / レーザートラッピング / レーザーアブレーション / 濃縮 / 生体外モデル / 核酸 / 光電場 / 光熱効果 / バイオマテリアル

研究開始時の研究の概要

本研究では、研究代表者らが得意とするレーザーの物理作用（電場、熱など）に基づく分子集合・分子配列の制御手法を駆使し、特異な機能を有する様々な無細胞分子システムをボトムアップ構築することにある。これにより、本学術変革領域の研究者が有する多様な物質群を対象として、受動的なプロセスのみでは得られない革新的な構造・機能を有する無細胞分子システムの創製を目指す。

研究実績の概要

本研究では、研究代表者が得意とするレーザーの物理作用（光電場、光熱作用など）に基づく分子の集合・配列制御法を駆使し、得意な構造・機能を有する様々な無細胞分子システムをボトムアップ構築することにある。
昨年度に引き続き2023年度は、物理作用に基づくレーザー技術（例：レーザーアブレーション、レーザートラッピング）の高度化・先鋭化と、本学術変革領域で対象とする様々な試料を用いた共同研究に取り組んだ。レーザー技術の高度化・先鋭化については、様々な試料の結晶化をモデルとして、分子システムのボトムアップ構築に必要な核発生、結晶種形成、多形相転移などを時空間制御することに成功した。またその集合・配列プロセスを透過光・蛍光・偏光・ラマン散乱など多角的にとらえることで、ボトムアップ構築のダイナミクスや形成した分子システムの機能をその場評価できることを示した。特に2023年度は偏光干渉計測を重点的に行い、その新規超解像イメージングなどを開発することにも成功している。また領域代表の松浦（東工大）をはじめ、様々な領域内共同研究を展開した。その結果、タンパク質・核酸・低分子化合物など、分子量が大きく異なる様々な物質を局所濃縮可能であるという、超越分子システムの新規ボトムアップ構築法に関する重要な知見を得た。以上の成果はJ Phys Chem Lett誌など複数の原著論文として報告し、さらに様々な学会・シンポジウムなどでも発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] シンシナティ小児病院/スタンフォード大学/カリフォルニア州立大学ロサンゼルス校(米国)
• [国際共同研究] 国立陽明交通大学(その他の国・地域（台湾）)
• [雑誌論文] Spatiotemporal Control of Polymorphic Phase Transition of Glycine Crystals by Three-Dimensional Femtosecond Laser Ablation Processing (2024)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masahi Yoshimura,Yusuke Mori, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 1 ページ: 180-186
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Advanced Interferometry with 3-D Structured Illumination Reveals the Surface Fine Structure of Complex Biospecimens (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Matsuzaki, Ryuzo Kawamura, Akihisa Yamamoto, Hozumi Takahashi, Mai Fujii, Shodai Togo, Yosuke Yoneyama, Fumihiko Hakuno, Shin-Ichiro Takahashi, Masami Suganuma, Seiichiro Nakabayashi, Shivani Sharma, James K. Gimzewski, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 4 ページ: 1097-1104
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02767
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spatiotemporal Control of Ice Crystallization in Supercooled Water via an Ultrashort Laser Impulse (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Hozumi、Kono Tatsuya、Sawada Kosuke、Kumano Satoru、Tsuri Yuka、Maruyama Mihoko、Yoshimura Masashi、Takahashi Daisuke、Kawamura Yukio、Uemura Matsuo、Nakabayashi Seiichiro、Mori Yusuke、Hosokawa Yoichiroh、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 号: 19 ページ: 4394-4402
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00414
  • 査読あり
• [雑誌論文] 細胞接着の定量計測に基づく細胞組織の機能解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松﨑 賢寿, 吉川 洋史
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 61 ページ: 269-273
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of Single Crystalline Seeds of Organic Nonlinear Optical Materials via Laser Ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Hozumi、Shiraiwa Megumi、Mag-usara Valynn Katrine、Dai Ruochen、Agulto Verdad C.、Kato Kosaku、Nakajima Makoto、Yamaji Mayu、Nakabayashi Seiichiro、Maruyama Mihoko、Mori Yusuke、Yoshimura Masashi、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 号: 28 ページ: 14005-14012
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c03189
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Preparation of mechanically patterned hydrogels for controlling the self-condensation of cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Takahisa, Kawano Yuma, Horikiri Momoka, Shimokawa Yuko, Yamazaki Takashi, Okuma Nao, Koike Hiroyuki, Kimura Masaki, Kawamura Ryuzo, Yoneyama Yosuke, Furuichi Yasuro, Hakuno Fumihiko, Takahashi Shin-Ichiro, Nakabayashi Seiichiro, Okamoto Satoshi, Nakauchi Hiromitsu, Taniguchi Hideki, Takebe Takanori, et al
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 4 号: 3 ページ: 102471-102471
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102471
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] レーザーアブレーションによる有機材料の結晶化制御 ～融液系および有機光学材料～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，吉川洋史
  • 雑誌名: 有機結晶部会ニュースレター 巻: 53 ページ: 3-4
• [雑誌論文] Effects of pulse duration on laser-induced crystallization of urea from 300 to 1200 fs: impact of cavitation bubbles on crystal nucleation (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuri Yuka、Maruyama Mihoko、Tsukamoto Katsuo、Adachi Hiroaki、Takano Kazufumi、Usami Shigeyoshi、Imanishi Masayuki、Yoshimura Masashi、Yoshikawa Hiroshi Y.、Mori Yusuke
  • 雑誌名: Applied Physics A 巻: 128 号: 9 ページ: 803-803
  • DOI: 10.1007/s00339-022-05909-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical guidance of self-condensation patterns of differentiating progeny (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Takahisa、Shimokawa Yuko、Koike Hiroyuki、Kimura Masaki、Kawano Yuma、Okuma Nao、Kawamura Ryuzo、Yoneyama Yosuke、Furuichi Yasuro、Hakuno Fumihiko、Takahashi Shin-Ichiro、Nakabayashi Seiichiro、Okamoto Satoshi、Nakauchi Hiromitsu、Taniguchi Hideki、Takebe Takanori、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 号: 10 ページ: 105109-105109
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105109
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low Surface Potential with Glycoconjugates Determines Insect Cell Adhesion at Room Temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Takahisa、Terutsuki Daigo、Sato Shoma、Ikarashi Kohei、Sato Kohei、Mitsuno Hidefumi、Okumura Ryu、Yoshimura Yudai、Usami Shigeyoshi、Mori Yusuke、Fujii Mai、Takemi Shota、Nakabayashi Seiichiro、Yoshikawa Hiroshi Y.、Kanzaki Ryohei
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 13 号: 40 ページ: 9494-9500
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c01673
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Exploring Co-Crystallization Dynamics of L-Phenylalanine and Acetaminophen via Optical Trapping (2024)
  • 著者名/発表者名: Wen-Chi Wang,Teruki Sugiyama,Kazuki Okano,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 2024 Chemistry National Meeting（CNM2024)
• [学会発表] Advanced laser processing and manipulation techniques for life/material sciences. (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: Kyoto Winter School 2024 “Towards Holistic Understanding of Life”
  • 招待講演
• [学会発表] 集光レーザービームによるコロイド結晶形成制御法の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井紀文,高橋秀実,松﨑賢寿,吉川洋史
  • 学会等名: レーザー学会 関西支部中国・四国支部連合
• [学会発表] Control of self-organization of organoids by mechanically patterned hydrogel (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Matsuzaki, Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 9th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
  • 国際学会
• [学会発表] Photophysical approach for fabrication of dynamic biomolecular assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa,Shuma Matsumoto,Ren Shirata,Takahisa Matsuzaki,Genki Fukasawa,Tomoaki Matsuura,Teruki Sugiyama,Ryuzo Kawamura
  • 学会等名: 9th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
  • 国際学会
• [学会発表] Chemically crosslinked microtubules driven by kinesins as an active substrate for cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryuzo Kawamura, Kaito Motoyoshi, Tsuyoshi Yokoyama, Takahisa Matsuzaki, Hiroshi Y Yoshikawa, Tomonori Kawasaki
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会
• [学会発表] フラーレン結晶の成長速度・形状にレーザー照射が与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航,高橋秀実,丸山美帆子,鈴木凌,橘勝,吉川洋史
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議JCCG-52
• [学会発表] Spatiotemporal control of condensation of biomolecules via photophysical effects of a focused laser beam (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuma Matsumoto,Ren Shirata,Genki Fukasawa,Takahisa Matsuzaki,Teruki Sugiyama Ryuzo Kawamura,Tomoaki Matsuura,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Influence of pulsed laser irradiation on dissolution behavior (2023)
  • 著者名/発表者名: Anna Konishi,Erika Yamashita, Mihoko Maruyama,Takahisa Matsuzaki,Heqi Xi,Menglu Li,Katsumasa Fujita,Junichi Kikuta,Yusuke Mori,Masaru Ishii,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 有機溶媒系におけるレーザー誘起結晶化ダイナミクスの解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水 大督,高橋 秀実,釣優 香,丸山 美帆子,吉村 政志,森 勇介,吉川 洋史
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 超短パルスレーザーによる酢酸ナトリウムの擬似多形誘起とそのダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 高岡 佑介,高橋 秀実,海老原 里美,釣 優香,丸山 美帆子,吉村 政志,森 勇介,吉川 洋史
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 集光レーザービームがフラーレン結晶成長に与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航,高橋秀実,丸山美帆子,鈴木凌, 橘勝,吉川洋史
  • 学会等名: 2023年大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] レーザーによる機能性有機材料のボトムアップ構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航,高橋秀実,吉川洋史
  • 学会等名: 学術変革領域研究A 第2回若手会
• [学会発表] Crystal nucleation, growth, and phase transition induced by focused irradiation with a pulsed laser (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: International Workshop on Laser Material Processing and Applications(LMPA 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒レーザーを用いた尿路結石破砕法の検討～新規内視鏡的治療法の開拓に向けて～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉村侑大,濵本周造,丸山美帆子,田中勇太朗,高野和文,吉村正志,宇佐美茂佳,今西正幸,田尻理恵,岡田淳志,安井孝周,森勇介,吉川洋史
  • 学会等名: 日本尿路結石症学会第33回学術集会
• [学会発表] Growth Promotion of Targeted Crystal Faces of Organics Compounds and Proteins by Nano-Processing via Laser Ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Y. Yoshikwa,Yuka Tsuri,Hozumi Takahashi,Megumi Shiraiwa,Yusuke Takaoka,Satomi Ebihara,Katsuo Tsukamoto,Takashi Onuma,Ryutaro Shimada,Tomohiko Tateshima,Kazufumi Takano,Hiroaki Adachi,Masashi Yoshimura,Yoichiroh Hosokawa, Seiichiro Nakabayashi,Mihoko Maruyama,Yusuke Mori
  • 学会等名: The International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCGE-20
  • 国際学会
• [学会発表] Spatiotemporal Control of Ice Crystallization in Supercooled Water by Focused Irradiation with Laser Pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Tatsuya Kono,Kosuke Sawada,Satoru Kumano,Yuka Tsuri,Mihoko Maruyama,Masashi Yoshimura,Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura,Matsuo Uemura,Seiichiro Nakabayashi,Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, Hiroshi Y. Yoshikawa.
  • 学会等名: The International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCGE-20
  • 国際学会
• [学会発表] Optical trapping-controlled co-crystallization in two-component solution (2023)
  • 著者名/発表者名: Wen-Chi Wang,Kazuki Okano,Hiroshi Y. Yoshikawa,and Teruki Sugiyama
  • 学会等名: 31st International Conference on Photochemistry(ICP2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial Control of Polymorphic Phase Transition from β-Form of Glycine Crystals by Focused Irradiation with a Femtosecond Laser Pulse (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masashi Yoshimura,Yusuke Mori,Hiroshi Y Yoshikawa
  • 学会等名: 31st International Conference on Photochemistry(ICP2023)
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed observation of ice crystallization dynamics in supercooled water triggered by laser ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Tatsuya Kono, Kosuke Sawada, Satoru Kumano, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura, Matsuo Uemura, Seiichiro Nakabayashi, Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, and Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed imaging of laser ablation in supersaturated solutions towards understanding of laser-induced crystallization mechanism (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa,Yuka Tsuri,Hozumi Takahasahi,Megumi Shiraiwa,Katsuo Tsukamoto,Takashi Onuma,Ryutaro Shimada,Tomohiko Tateshima,Kazufumi Takano,Hiroaki Adachi,Masahi Yoshimura,Yoichiroh Hosokawa,Seiichiro Nakabayashi,Mihoko Maruyama,Yusuke Mori
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond laser processing of kidney stones (2023)
  • 著者名/発表者名: Yudai Yoshimura,Shuzo Hamamoto,Mihoko Maruyama,Masashi Yoshimura,Shigeyuki Usami,Masayuki Imanishi, Rie Tajiri,Yutaro Tanaka,Atsushi Okada,Kazufumi Takano,Takahiro Yasui,Yusuke Mori,Hiroshi Y Yoshikawa
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
  • 国際学会
• [学会発表] Production of Organic Functional Crystals by Using Intensive Lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: 高岡佑介,海老原里美,高橋秀実,釣優香,丸山美帆子,吉村政志,森勇介,吉川洋史
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム(OPTO2023)
• [学会発表] レーザーアブレーションによる有機非線形光学結晶の液中加工 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，白岩愛実，山地真由，Valynn K. Mag-usara,北原英明,中嶋誠,丸山美帆子,吉村政志,森勇介,杉山輝樹,中林誠一郎,吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2023年度第1回講演会
• [学会発表] 室温における生きた昆虫細胞の接着界面の可視化～バイ オハイブリッド匂いセンサーへの応用を目指して～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 松崎 賢寿, 照月 大悟, 佐藤 奨真, 吉川 洋史
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Crystal nucleation of ice and sodium acetate by laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Satomi Ebihara, Yusuke Takaoka, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Seiichiro Nakabayashi, Teruki Sugiyama, Yusuke Mori, Hiroshi. Y. Yoshikawa
  • 学会等名: CLEO Pacific Rim (CLEO-PR 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Control of Protein Crystallization by Using Laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: International Powder and Nanotechnology Forum2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 集光レーザービームを用いた微小管形成の空間パターニング (2022)
  • 著者名/発表者名: 白田廉, 髙野慶, 桐生文佳 , 竹重拓也, 中林誠一郎, 杉山輝樹 , 川村隆三 , 吉川洋史
  • 学会等名: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [学会発表] 超短パルスレーザー集光単発照射による氷の結晶化過程の詳細観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実、釣優香、丸山美帆子、吉村政志、中林誠一郎、森勇介、吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議（JCCG-51)
• [学会発表] レーザートラッピング結晶化の溶媒依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水大督 , 高橋秀実 , 釣優香 , 丸山美帆子, 吉村政志 , 森勇介, 吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議（JCCG-51)
• [学会発表] フェムト秒レーザー誘起結晶化のダイナミクス計測 ~酢酸ナトリウム水溶液~ (2022)
  • 著者名/発表者名: 高岡佑介, 海老原里美, 高橋秀実, 釣優香, 丸山美帆子, 吉村政志, 森勇介, 吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議（JCCG-51)
• [学会発表] レーザーによるグリシン結晶の相転移誘起とその場観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋 秀実, 吉村 侑大 , 川村 隆三 , 山崎 祐 , 村井 良多 , 丸山 美帆子 , 吉村 政志, 森 勇介 , 吉川 洋史
  • 学会等名: 第30回有機結晶シンポジウム
• [学会発表] 骨格筋臓器の再生に向けた高分子材料のデザイン (2022)
  • 著者名/発表者名: 河野 雄真、吉川 洋史、古市 泰郎、松﨑 賢寿
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部、75周年記念講演会
• [学会発表] 光干渉法昆虫細胞の接着機構の解明 ～高感度な生きた匂いセンサーへの応用を目指して～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤奨真, 照月大悟, 吉川洋史, 松﨑賢寿
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部、75周年記念講演会