【研究領域課題番号】20K20580 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乾燥耐性 / 相分離 / ゲル相転移 / ソフトマター / 弾性体 / クマムシ / 相転移 / ゲル

【研究成果の概要】

本研究課題では、これまでに同定してきた脱水ストレスに応答して可逆的に凝集するクマムシタンパク質群 DRYPs について解析することで、新たな耐性原理の検証と提唱を目指している。本年度は、まずストレス依存に動物細胞内で繊維構造を形成するクマムシ固有の CAHS タンパク質群について、線維化がもたらす物理特性の変化と生物学的影響を解析した。in vitro における微小液滴を用いた生物物理学的解析からCAHSタンパク質溶液は非ストレス時には完全に液体状態であるが、高塩環境下では顕著なヤング率の向上を検出し弾性体に変化することを明らかにした。さらに同CAHS遺伝子の安定発現昆虫細胞株を樹立したところ、高浸透圧ストレス下において細胞表面の弾性が有意に亢進するとともに、浸透圧による細胞体積減少が顕著に抑制されることを明らかにした。また、高浸透圧下における細胞の生存率も向上することを示した。これらの成果はCAHSタンパク質の線維化が細胞の物理特性に影響を与えるとともに生物学的なストレス耐性に寄与することを示している。ストレス耐性のメカニズムとして、CAHSタンパク質のようにストレス時にオンデマンドで線維化し細胞を物理的に強化するという新たな原理を提案するものである。また、CAHS 以外の DRYPs についてもストレス時における細胞内凝集形態を網羅的に解析し、様々な凝集パターンを示すものを同定した。なお、生物物理学的解析は東大・駒場の柳澤研・澤井研との共同研究として実施した。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-07-30 - 2023-03-31

【配分額】26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)

【研究領域課題番号】20K21828 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボット / 人工細胞 / DNAナノテクノロジー / ソフトマター / 光制御 / 非平衡系 / ゲル / 相分離 / マイクロ流体工学 / MEMS

【研究成果の概要】

分子ロボットは、生体分子でできた、ナノからマイクロメートルの微小サイズのロボットとして注目されている。本研究では、紫外/可視光・赤外レーザー・電波などの電磁波によって、細胞型のDNA分子ロボットを遠隔制御する技術を開発することを目的とした。最終的に、電磁波等によって、DNAゲルの物性を変化させられることを示し、DNAゲルでできた分子ロボットを、電磁波によって遠隔的に制御できる可能性が見出せた。

【研究の社会的意義】

生体内や環境中で情報をセンシングし、分子でコンピューティングし、プログラムされたタスクをこなす超微小ロボットとして注目されている。これは、次世代情報工学技術であるInternet of Nano Things (IoNT)を担う技術の一つとして期待される。本研究で得られた技術を発展させれば、プログラムされたタスクをこなすDNA分子ロボットと、その遠隔的な操作技術へ発展させていくことが期待でき、薬物送達などの技術にも応用可能である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】18K03565 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

摩擦 / 摩耗 / 巨大応答 / 焼付き / ゲル / 超音速 / すべり / 動的接触理論 / ソフトマター / 遷移 / 過渡応答 / その場可視化 / 状態変数 / Green関数 / 超音速摩擦 / 焼き付き / 可視化 / 巨大過渡応答 / 数理モデル / レオロジー

【研究成果の概要】

本研究では，アクリル樹脂を用いた摩擦・摩耗実験，および，高分子ゲルを用いた摩擦実験に取り組んだ．とくに後者では，すべり速度が物体の弾性波速度の同程度となる超高速条件で摩擦実験を実施した．
その結果，2つの異なる特徴的な摩擦挙動を発見した．アクリル樹脂を用いた実験では，実験条件は一定であるにもかかわらず，ある時点で定常状態から逸脱し，摩擦力が急激に上昇して焼付きに至る挙動が観察された．また，高分子ゲルによる実験では，すべり速度を変化させ，摩擦係数や摩擦挙動を調べたところ，S波速度（15ｍ/s程度）を超えるとともに摩擦係数が急上昇する現象が見出された．

【研究の社会的意義】

まず，できる限り単純な実験系を構築することで，通常の実験で見られる複雑な挙動をシンプルに理解することが可能であることを示すことができた．また，摩擦挙動のその場観察によって，摩擦状態の適切な把握ができることを示すことができた．さらに，実験と理論を併用した研究アプローチにより，現象の詳細な理解が可能であることを確認できた．これらの成果は，今回取り組んだ摩擦・摩耗現象に限らず，さまざまな系に対しても適用可能であると考えられ，広範な現象，分野への波及効果が期待される．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】24540432 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲル / 破壊 / 溶媒効果 / ソフトマター / mechano-chemical / fracture / gel

【研究成果の概要】

アリルアミドゲルの亀裂先端に注入した種々の液体が，その破壊挙動に与える影響を，注入する溶媒の種類を変えて調べ，次のような結果を得た。1）アクリルアミドの良溶媒である水（ゲル自体の溶媒でもある）注入した場合，小さな破壊測度Vでの引裂力Fの値が，空気中（注入液体無し）の破壊に比べて低下した；2）エチレングリコールなどの良溶媒の注入では，Fの値を増加させた；3）ゲルに強い偏析を引き起こすエタノール等の貧溶媒を注入した場合，亀裂が停止と急激な進展を繰り返すstick-slip的な亀裂進展モードが観測され，振動する引裂力の平均値は空気中の破壊に比べ大きくなった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】21740309 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ガラス / 過冷却液体 / レオロジー / 粘弾性 / ソフトマター / ゲル / 流体力学的相互作用

【研究成果の概要】

ガラス形成物質の非線形輸送現象(特にそのレオロジー挙動)について理論的に研究を行った。主な成果は以下のとおりである。(i)分子動力学シミュレーションにより、過冷却液体の異常粘性輸送および粘弾性特性のメソスコピック性を初めて明らかにした。この発見は動的不均一性に伴う相関構造がスローダイナミクスにおいて本質的に重要であることを強く示唆するものである。(ii)アモルファス物質の破壊現象を記述する新しい粘弾性モデルを提案した。このモデルに基づき、破壊に伴う非線形現象が密度揺らぎと変形の動的結合に起因しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】18651073 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲル / 微細加工 / BZ反応 / 自律振動ゲル / ソフトマター / コンピューティング / Lab-on-polymer

【研究成果の概要】

BZ反応を触媒する金属錯体と温度反応性高分子の共重合体からなる自律振動性ゲルを微細加工し、反応のネットワークを幾何学的に構築することを試みた。また、反応の開始位置を決めるため、微小電極を作製し、反応ネットワークの決まった位置からトリガー波が発生する構造をネットワークに組み込む試みを行った。
ゲルの微細加工は、PDMSなどの鋳型を作製し、その鋳型とガラスプレートの隙間にプレゲル溶液を注入して光照射でゲル化させることにより、鋳型の構造を反映したゲルネットワークを作製した。金属電極の微細加工としては、BZ反応のトリガーとなる銀線を物理研磨することによって、100μ程度の径を持つ電極を作製した。
上記方法で作製したゲルピースのサイズと形状によって、BZ笈応の伝播等がどのような影響を受けるのか、実現可能なゲルネットワークのサイズと形状はどうなのかについて実験を行った。
ゲルの厚さは、シート状の均質なゲルであっても、200μm以下では、BZ反応は起こらなかった。また、ストライプ状のゲルの幅も200μm程度のサイズ以下では、反応が起こらなかった。これらの現象は、金属触媒を含むゲルがBZ溶液の浸透によって生成する反応中間物の濃度が、反応による生成とゲルから外部溶液への拡散で決まることに起因する。ゲル厚や幅が薄いと反応中間物の拡散が支配的になり、振動の起こる濃渡にまで達しないためと考えられる。
以上のことから、ゲル厚や幅を200μm以上に加工したネットワークのみが実現可能であることがわかった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)