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2019 年度 実績報告書

エネルギー変換機構を含む発動分子素子の創成

計画研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 18H05419
研究機関東京工業大学

研究代表者

金原 数  東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (30282578)

研究分担者 中西 和嘉  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (20401010)
ラッペン ゲナエル  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (60812576)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワード発動分子 / 分子機械 / 二分子膜 / イオンチャネル / 両親媒性分子
研究実績の概要

(1)交互両親媒性マルチブロック分子:前年度に引き続き,疎水部に双極子モーメントが生じるような非対称構造を有する分子について詳細な検討を行い,二分子膜中での方向性制御に成功するとともに,この分子が電位を始めとする複数の外部刺激に対し応答性を有することを見いだした。また,疎水部にカチオン性基を導入した分子を設計し,これがアニオン輸送能を有することを見いだした。これらの分子の二分子膜中での挙動について,C02-1班の池口グループとの共同研究により,計算化学的解析を行った。
(2)気水界面にある両親媒性分子の分子構造・運動モードによる力学的刺激に対する運動性の変化を調べた。羽ばたき型と回転型のそれぞれの運動モードを有し,自身の運動の静動を蛍光強度の変化や蛍光シフトにより検出できる両親媒性のクロモフォアを用い,力学刺激中の蛍光変化を調べた結果,分子構造・運動モードにより,分子運動への力学エネルギーの影響が大きく異なることが分かった。
(3)前年度に引き続き,GFPおよびBCAIIとオリゴエチレングルコール鎖のハイブリッド型分子の構築を検討し,種々の長さのオリゴエチレン鎖を導入したハイブリッド型分子を得ることに成功した。
(4)温度応答性部位として,オリゴエチレングリコールを導入した両親媒性分子を合成し,その刺激応答性と分子集合体形成挙動について検討した。
(5)螺旋構造を有するプロペラ型ルテニウム錯体を合成し,金属基板上でSTM探針による電子注入/電場印加を施すことで,単一方向の単分子回転運動を誘起させることに成功した。さらに,金(111)表面上に隣接して配置された2つのプロペラ型ルテニウム錯体に対し,相互に噛み合ながら連動した歯車運動を誘起させることに成功した。また,様々な構造を有する分子ギアや,ポルフィリン骨格を有する9種類の双極型ナノカーを新規に設計・合成した。

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

(1) 今年度の研究計画で示した,交互両親媒性マルチブロック分子について,イオンポンプ高知に向けた重要なステップである,方向性の制御に成功するとともに,輸送されるイオン種の種類を大幅に増やすことができた。さらに,関連した領域内連携研究も順調に進行しており,特にC02-1班との連携研究では,実験的に観測が難しい分子の動的挙動について極めて興味深い知見を得ることができた。
(2)分子が高配向する2次元界面場を利用し,力学的エネルギーを効率よく分子構造・運動変化へ変換させ,それにより分子機能を制御することを目的としている。2次元界面場として,気水界面と金属表面を利用し,それぞれ単分子膜・単分子レベルでの分子制御を試みている。これまで,2次元界面場として気水界面として利用し,気水界面で取り扱うことのできる両親媒性の分子を用い,力学的刺激による構造・運動変化を可能としてきた。
(3)光による分子回転運動の制御を指向し,フォトクロミック性のブレーキ機構を有する分子モーターを設計し合成した。さらに,より複数の分子が連動可能な回転運動伝搬系の構築を指向して,様々な種類の分子ギアが示す歯車運動に関して検討した。一方,異なる大きさの双極子モメントを有するナノカーのSTM探針を用いた運動操作について検討した。
(4)脂質二分子膜を基礎骨格に有する多孔性高分子を新規に設計・合成し,そのメゾ構造の解析に成功した。
以上の成果に加え,A01-2, A01-3, C01-1, C02-1, C02-2班をはじめとする計画班,公募研究メンバーとの間に複数の共同研究を実施している。これらを総合的に考慮し,おおむね順調に推移していると判断した。

今後の研究の推進方策

(1)双極子モーメントを有する交互両親媒性マルチブロック分子についてイオン透過性と選択性,ならびに刺激応答性を詳細に検討するとともに,イオン輸送の方向性に関して検討を行う。触媒リガンド型分子については,実際に有機金属触媒にリガンドとして導入し,得られた錯体の反応性を明らかにする。さらに,触媒反応の進行に伴うダイナミクスの変化やイオン輸送に与える影響について検討する。また,C02-1班との連携により計算化学的手法によるイオン透過機構の解明をすすめるとともに,C01-1班との連携により一分子の動的挙動を観察する。
(2)気水界面において,力学的エネルギーを分子構造や分子運動の変化に変換するために,これまで主に両親媒性分子を研究対象としており,分子構造や運動モードの異なる両親媒性分子が,力学的刺激に対して異なる挙動を示すことを見出してきた。さらにこの,力学的エネルギーをつかった分子制御の適用範囲を広めるため,脂質マトリクス中での非両親媒性分子の制御を検討する。
(3)フォトクロミック性のブレーキ機構を備えた分子モーターについては,合成後,その分子回転運動の光制御に関して検討を行う。分子ギアに関しては,その歯車運動の伝搬効率の向上を指向して,より歯数の多い分子ギアの設計や,歯車運動の伝搬効率に対する金属基板依存性について評価を行う。脂質二分子膜からなる多孔性高分子に関しては,その熱安定性・相転移挙動をはじめとした基礎物性を明らかにするとともに,生体高分子をはじめとしたマクロ分子の取り込み挙動について評価を行う。
(4)GFP及びBCAIIに加えダイニン,キネシン等の生体発動分子を対象としてハイブリッド分子を構築し,その性質を明らかにする。
(5)前年度に引き続き,A01-2, A01-3, C01-1, C02-1, C02-2班との共同研究を続けるともに,新たな研究連携を開始する。

  • 研究成果

    (49件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 5件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 16件、 招待講演 8件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] CEMES-CNRS/Bordeaux大学/IECB(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CEMES-CNRS/Bordeaux大学/IECB
    • 他の機関数
      1
  • [国際共同研究] Ohio University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Ohio University
  • [国際共同研究] San Sebastian College(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      San Sebastian College
  • [国際共同研究] TU Dresden(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      TU Dresden
  • [国際共同研究] Graz大学(オーストリア)

    • 国名
      オーストリア
    • 外国機関名
      Graz大学
  • [雑誌論文] Aromatic Fluorination of Multiblock Amphiphile Enhances Its Incorporation into Lipid Bilayer Membranes2020

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Ryo、Sato Kohei、Kinbara Kazushi
    • 雑誌名

      ChemistryOpen

      巻: 9 ページ: 301~303

    • DOI

      10.1002/open.201900374

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] New Modified Deoxythymine with Dibranched Tetraethylene Glycol Stabilizes G-Quadruplex Structures2020

    • 著者名/発表者名
      Tateishi-Karimata Hisae、Ohyama Tatsuya、Muraoka Takahiro、Tanaka Shigenori、Kinbara Kazushi、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 25 ページ: 705~705

    • DOI

      DOI:10.3390/molecules25030705

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The lipid composition affects Trastuzumab adsorption at monolayers at the air-water interface2020

    • 著者名/発表者名
      Sakai Andrei、de Sousa Mesquista Ana Paula、Nader Helena B.、Lopes Carla Cristina、Nakanishi Waka、Ariga Katsuhiko、Caseli Luciano
    • 雑誌名

      Chemistry and Physics of Lipids

      巻: 227 ページ: 104875~104875

    • DOI

      10.1016/j.chemphyslip.2020.104875

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Session 2SDA―Nonequilibrium energetics of biological molecular machines2020

    • 著者名/発表者名
      Toyabe Shoichi, Li Chun-Biu, Kinbara Kazushi
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 12 ページ: -

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00634-3

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Introduction: Molecular Motors2020

    • 著者名/発表者名
      Iino Ryota、Kinbara Kazushi、Bryant Zev
    • 雑誌名

      Chemical Reviews

      巻: 120 ページ: 1~4

    • DOI

      10.1021/acs.chemrev.9b00819

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Modular synthesis of pentaarylcyclopentadienyl Ru-based molecular machines via sequential Pd-catalysed cross couplings2019

    • 著者名/発表者名
      Gisbert Yohan、Abid Seifallah、Bertrand Gaelle、Saffon-Merceron Nathalie、Kammerer Claire、Rapenne Gwenael
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 55 ページ: 14689~14692

    • DOI

      10.1039/c9cc08384g

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Star‐Shaped Ruthenium Complexes as Prototypes of Molecular Gears2019

    • 著者名/発表者名
      Erbland Guillaume、Abid Seifallah、Gisbert Yohan、Saffon‐Merceron Nathalie、Hashimoto Yuichiro、Andreoni Leonardo、Guerin Theo、Kammerer Claire、Rapenne Gwenael
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 25 ページ: 16328~16339

    • DOI

      10.1002/chem.201903615

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A chiral molecular propeller designed for unidirectional rotations on a surface2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yuan、Calupitan Jan Patrick、Rojas Tomas、Tumbleson Ryan、Erbland Guillaume、Kammerer Claire、Ajayi Tolulope Michael、Wang Shaoze、Curtiss Larry A.、Ngo Anh T.、Ulloa Sergio E.、Rapenne Gwenael、Hla Saw Wai
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 3742

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41467-019-11737-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Monitoring Fluorescence Response of Amphiphilic Flapping Molecules in Compressed Monolayers at the Air-Water Interface2019

    • 著者名/発表者名
      Nakanishi Waka、Saito Shohei、Sakamoto Naoki、Kashiwagi Akihiro、Yamaguchi Shigehiro、Sakai Hideki、Ariga Katsuhiko
    • 雑誌名

      Chemistry - An Asian Journal

      巻: 14 ページ: 2869~2876

    • DOI

      10.1002/asia.201900769

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of an Engineered Photoactive Yellow Protein as a Cross‐Linking Junction for Construction of Photoresponsive Protein‐Polymer Conjugates2019

    • 著者名/発表者名
      Ui Mihoko、Miyauchi Yusuke、Inoue Masataka、Murakami Makoto、Araki Yasuyuki、Wada Takehiko、Kinbara Kazushi
    • 雑誌名

      ChemPhotoChem

      巻: 3 ページ: 356~360

    • DOI

      10.1002/cptc.201900024

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Biomimetic and Technomimetic Single Molecular Machines2019

    • 著者名/発表者名
      Kammerer Claire、Erbland Guillaume、Gisbert Yohan、Nishino Toshio、Yasuhara Kazuma、Rapenne Gwenael
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 48 ページ: 299~308

    • DOI

      10.1246/cl.181019

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Fluorinated multiblock amphiphiles that transport ions across lipid bilayers2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Sato, Kota Nabeya, Takahiro Muraoka, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa, Kazushi Kinbara.
    • 学会等名
      ACS Spring 2020 National Meeting & Expo
    • 国際学会
  • [学会発表] Transmembrane ion transport by asymmetric multiblock amphiphiles2020

    • 著者名/発表者名
      Ryo Sasaki, Kohei Sato, Kazuhito Tabata, Hiroyuki Noji, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      ACS Spring 2020 National Meeting & Expo
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of amphiphilic linker for protein labeling and polymerization2020

    • 著者名/発表者名
      Sanghun Han, Yusuke Aoki, Kohei Sato, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
  • [学会発表] カチオン部位を導入した交互両親媒性分子による膜間イオン輸送2020

    • 著者名/発表者名
      森 未妃・佐藤浩平・田端和仁・ 野地博行・金原 数
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
  • [学会発表] Self-assembly of flexible molecules at interfaces2020

    • 著者名/発表者名
      NAKANISHI, Waka
    • 学会等名
      iCeMS SPIRITS Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Biomimetic nanomachines : From molecular motors to gears2020

    • 著者名/発表者名
      G. Rapenne
    • 学会等名
      1st International symposium on Molecular Engine
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A family of molecular motors based on aromatic building blocks2020

    • 著者名/発表者名
      G. Rapenne
    • 学会等名
      2nd Frontiers in Photochemistry Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Rectified Ion Transport by Asymmetric Multiblock Amphiphiles2019

    • 著者名/発表者名
      Ryo Sasaki, Kohei Sato, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      CEMSupra 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 交互両親媒性分子のオリゴマー化2019

    • 著者名/発表者名
      三栖 花梨, 佐藤 浩平, 金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] 大環状両親媒性 PEG によるタンパク質の凝集抑制2019

    • 著者名/発表者名
      中川 優大, アダム ヴァヴロ, 佐藤 浩平, 金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] Asymmetric Multiblock Amphiphiles for Transmembrane Ion Transport2019

    • 著者名/発表者名
      Ryo Sasaki, Kohei Sato, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] Transmembrane Ion Transport by Multiblock Arene-Perfluoroarene Macrocycle2019

    • 著者名/発表者名
      Kohei Sato, Kota Nabeya, Takahiro Muraoka, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] 膜タンパク質を模倣したマルチブロック分子の機能開拓2019

    • 著者名/発表者名
      金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] 屈曲型交互両親媒性分子の開発2019

    • 著者名/発表者名
      森 未妃, 佐藤 浩平, 田端 和仁, 野地 博行, 金原 数
    • 学会等名
      第13回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] 主鎖置換によるタンパク質のサイボーグ化2019

    • 著者名/発表者名
      青木 祐輔, 宇井 美穂子, 松井 崇, 田中 良和, 村岡 貴博, 佐藤 浩平, 金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子学会年次大会
  • [学会発表] 構造化された大環状ポリアミド誘導体の開発2019

    • 著者名/発表者名
      玉田 浩之, 佐藤 浩平, 金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子学会年次大会
  • [学会発表] リン酸基を有する双頭型両親媒性分子の開発2019

    • 著者名/発表者名
      清水 友輔, 佐藤 浩平, 金原 数
    • 学会等名
      第68回高分子学会年次大会
  • [学会発表] Design of Engineered PEGs for Biomaterial Developments2019

    • 著者名/発表者名
      Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of Amphiphilic Multiblock Molecule Bearing Cationic Moiety2019

    • 著者名/発表者名
      Miki Mori, Kohei Sato, Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthetic Multiblock Molecules Mimicking Structure and Function of Membrane Proteins2019

    • 著者名/発表者名
      Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      2nd International Conference on Molecular Systems Engineering
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of synthetic chiral receptor molecules inspired by structure and function of membrane proteins2019

    • 著者名/発表者名
      Kazushi Kinbara, Takahiro Muraoka, Daiki Noguchi, Takahiro Endo
    • 学会等名
      Chirality2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of PEG-Based Functional Molecules for Biorelated Applications2019

    • 著者名/発表者名
      Kazushi Kinbara
    • 学会等名
      Japan-BIOCEV Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of PEG-based Stimuli-Responsive Molecules2019

    • 著者名/発表者名
      Kauzhi Kinbara
    • 学会等名
      2nd International Conference on Materials Design and Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Control of Conformation and Motion at Interfaces2019

    • 著者名/発表者名
      NAKANISHI, Waka
    • 学会等名
      MANA- i-MATE Joint Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] 界面における分子コンフォメーション制御2019

    • 著者名/発表者名
      中西 和嘉
    • 学会等名
      2019年日本表面真空学会学術講演会 第2回ダイバーシティシンポジウム ~つくばの女性研究者と考える未来のサイエンス~
  • [学会発表] ナノの世界で日本車を走らせたい2019

    • 著者名/発表者名
      中西 和嘉
    • 学会等名
      -日本化学会秋季事業- 第9回CSJ化学フェスタ2019
  • [学会発表] 界面を利用したコンフォメーション・運動制御2019

    • 著者名/発表者名
      中西 和嘉
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
  • [学会発表] 低次元場での分子機械制御2019

    • 著者名/発表者名
      中西 和嘉
    • 学会等名
      第6回 辰巳午会化学シンポジウム
  • [学会発表] ナノカーレース2019

    • 著者名/発表者名
      中西 和嘉
    • 学会等名
      中央大学理工学部・先端科学技術論Ⅰ
  • [学会発表] Prototypes of molecular motors and gears based on aromatic building blocks2019

    • 著者名/発表者名
      G. Rapenne
    • 学会等名
      18th International Symposium on Novel Aromatic compounds
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Prototypes of single molecular motors and gears2019

    • 著者名/発表者名
      G. Rapenne
    • 学会等名
      28th International Materials Research Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Technomimetic nanomachines : Molecular wheels, vehicles, rotors and motors2019

    • 著者名/発表者名
      G. Rapenne
    • 学会等名
      6th Electronic Device forum
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 発動分子科学

    • URL

      http://www.molecular-engine.bio.titech.ac.jp

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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