| 研究課題/領域番号 |
20K05269
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| 研究機関 | 城西大学 |
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研究代表者 |
宇和田 貴之 城西大学, 理学部, 准教授 (30455448)
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| 研究分担者 |
鍋谷 悠 宮崎大学, 工学部, 准教授 (50457826)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | タンパク質結晶 / 多孔質材料 / 分光イメージング / 固体フォトンアップコンバージョン / 表面増強ラマン散乱 |
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| 研究実績の概要 |
タンパク質結晶内部に三次元状に広がる溶媒チャンネルはナノ細孔構造を有しており、かつその細孔は表面のタンパク質に由来するキラル空間であることから、タンパク質結晶は新規かつ高機能な多孔質材料であるといえる。我々はこれまでこのタンパク質結晶細孔への分子導入をin situ観察で明らかにし、その機能と有用性を実証してきた。本研究ではこれを発展させ、結晶細孔に多様な機能性分子を導入し配列させること、および内部で化学反応を起こし主に金ナノ構造体を形成する、つまりタンパク質結晶をテンプレートとすることで初めて得られる誘導放出や表面増強ラマン散乱など新たな光学特性を発現する三次元的複合ナノ構造材料を作り出すことを目的としている。
初年度は本研究の基盤となるタンパク質結晶の、柔らかく脆いため材料としての応用には制限がある欠点を克服するべくニワトリ卵白由来リゾチーム結晶をグルタルアルデヒドにより架橋・固定化し強固なものとすることから取り組んだ。得られた結晶は従来のネイティブな結晶と同様に分子取り込みおよび分子取り込み後の光化学反応が行われることをin situで確認した。また、有機溶媒に対しても一定の耐性を持つことがわかり、有機溶液からの分子取り込みに道を開いた。これにより殆どの場合水に不溶な機能性分子の導入が可能となると考えられるため、今後の進展に期待が持てる。
並行してタンパク質結晶内に機能性分子を導入した際にその働きを調べるためのレーザー顕微鏡システムの整備を行った。従来のものを同一顕微鏡にて405, 488, 532 nm励起での蛍光(含むフォトンアップコンバージョン)、ラマン散乱の分光測定が可能となり、また近赤外透過・発光イメージングも実現できるよう改良した。タンパク質結晶の高機能化を実証する装置の整備は順調に進んでいる。
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| 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
現在までに本研究の基盤となるタンパク質結晶の、柔らかく脆いため材料としての応用には制限がある欠点をグルタルアルデヒドにより架橋・固定化することで乗り越える方策を確立している。これにより従来のようにネイティブの結晶で研究を進めていては実現不可能な分子導入に活路を開いており、研究全体としてはタンパク質結晶細孔をテンプレートとした三次元組織化複合ナノ構造材料の実現に向けて大きく進展したと考えている。
また、並行してのレーザー顕微鏡システムの整備も大きく進展した。とりわけ今回の研究助成により顕微鏡下でのフォトンアップコンバージョン測定が可能となるように整備できたことは、今後のタンパク質結晶への二種類の機能性分子の同時導入が実現できた場合の実証に不可欠な要素であったため大きな進展であると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
基盤となる強固化したタンパク質結晶、および機能解析手段としてのレーザー顕微鏡の整備が進んだので、次いで結晶への機能性分子の導入に注力する。結晶をレーザー色素となるローダミン誘導体溶液に浸し細孔へ高濃度にかつ凝集しないように導入して誘導放出を促しマイクロ色素レーザーの実現を試みる。また、細孔への二種類の機能性分子の同時導入を行うことで実現を目指す固体フォトンアップコンバージョンはMOFなど無機多孔質材料で先行して行われており、タンパク質結晶の柔軟性ゆえそれ以上の性能を示すと期待する。
並行してタンパク質結晶のミクロ反応容器としての展開にも取り組む。タンパク質結晶細孔に金イオンを導入し、細孔表面のアミノ酸残基の働きにより次第に還元し、融合させナノ粒子を形成する。粒子が細孔のキラル空間を鋳型として成長し、キラル粒子が三次元上に配列したumオーダーのキラルメタマテリアルが得られると期待している。細孔内での金イオンにレーザーを照射することにより還元反応の促進は既に実証しているものであり、これと組み合わせてより迅速によりサイズ制御した複合材料を作ってゆきたい。形成過程を分担者と共同でラマン散乱分光により金とタンパク質の硫黄および窒素との結合、つまりAu-S、Au-N結合からモニターする予定である
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| 次年度使用額が生じた理由 |
(理由)44,745円ほどの残額であり、コロナ禍のために旅費として計上していた金額を使用できなかったことを考えるとほぼ計画通りに経費を使用したと考えている。
(使用計画)次年度はほぼ消耗品の購入のみを計画しており、こちらに充当する予定である。
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