極微小バルブで1分子の流れの制御に成功~化学・生化学合成のパラダイムシフトに期待~

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2023-03-07 大阪公立大学

ポイント

◇ナノ流体デバイス1に搭載した極微小なバルブを外部からの圧力で開閉することで、溶液中を流れる1分子の制御に成功。
◇バルブ内のナノ空間には、分子に対して特異的な効果があることを発見。

概要

大阪公立大学大学院 工学研究科の許 岩准教授、川岸 啓人氏(当時 大阪府立大学大学院 博士後期課程3年)と理化学研究所 生命機能科学研究センターの田中 陽チームリーダー(当時)、船野 俊一研究員(現客員研究員)らの共同研究グループは、ナノ流体デバイスに搭載したナノバルブを外部からの圧力によって開閉することで、溶液中の1分子の流れを制御することに成功しました。

化学反応を用いたあらゆる研究、産業において、分子を機械部品のように直接操作、組み立てることは夢の技術ですが、1分子はソフトボールの約1億分の1程度の大きさと非常に小さく、溶液中では激しく不規則な運動をしているため、直接操作することは極めて困難です。そのような状況の中、直接操作を可能にする手段として、同様にストローの100万分の1の細さという非常に細い流路の中で流体操作が可能な「ナノ流体デバイス」が注目されています。

本研究では、片方にリボンのように薄くて柔らかいガラス板を、もう一方にナノ流路とバルブ機能を持つ微小な構造物を形成した硬いガラス板を使用しデバイスを作製しました(図1a-c)。そして、柔らかいガラスに外部から圧力を加えバルブを開閉することで、溶液中の分子1つ1つの流れを直接操作し、制御することに成功しました(図1d)。また、バルブ内の微小な「バルブナノ空間」に蛍光2分子を閉じ込めた場合、蛍光分子から出る光信号を増強させる効果があること、分子の不規則な運動が抑制されることを明らかにしました。
本研究成果は、1分子で物質を自由に組み立てることができる時代の到来の加速に繋がると期待されます。また、本技術の発展により個人の体質に合わせた難病や希少疾患の治療薬等のための医療用材料や、寿命や性能の観点で従来より優れた電池等のための産業用材料などさまざまな分野において有用な手法になると考えられます。

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図1 aナノバルブによる1分子流れ制御用ナノ流体デバイスの模式図、b柔らかいガラスのデジタル写真、cナノバルブの電子顕微鏡画像、dナノバルブ動作原理の模式図


本研究成果は、アメリカ化学会が刊行する国際学術誌「Nano Letters」のオンライン速報版に、2023年3月7日(火)に掲載されました。

分子を玩具ブロックのように取り扱い、溶液中の化学反応や生化学反応に携わるすべてのプロセスを1分子単位で行う「1分子制御化学」を構想・提唱し、さまざまな課題に取り組んできました。「1分子制御化学」は化学者らの究極の目標の1つであると言っても過言ではありません。本研究は、溶液中の個々の分子を自由に操作するための第一歩で、将来的には、化学、生物学、材料科学に革命をもたらし、業界を変革する可能性があります。
許 岩准教授

実験動画

・ナノ流路における1分子流れ https://youtu.be/-6LdkqB8vu0
・バルブナノ空間に閉じ込められた1分子のブラウン運動 https://youtu.be/VUkRspFrzCw

掲載誌情報

【発表雑誌】Nano Letters(IF=12.262)
【論文名】Flexible glass-based hybrid nanofluidic device to enable the active regulation of single-molecule flows
【著者】Hiroto Kawagishi, Shun-ichi Funano, Yo Tanaka and Yan Xu*
【掲載URL】https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04807

資金情報

本研究は、日本学術振興会(JSPS)(JP21H04640、JP20H00497、JP19KK0129、JP18H01848、JP19J22901)、文部科学省科研費(JP21H05231、JP19H04678)、科学技術振興機構(JST)さきがけ(JPMJPR18H5)、CREST(JPMJCR18H2)、大阪府立大学 システム発想型学際科学リーダー養成学位プログラム(SiMS)からの支援を受けて行われました。

用語解説

※1ナノ流体デバイス…ナノメートル(100万分の1ミリメートル)オーダーの大きさを持つ超微小流路を有するチップデバイスを指す。この流路内では、流体だけでなく、微粒子や分子といったナノメートルの物質を操作することができ、化学、物理学、生物学、薬学、医学といった様々な分野で革新的なツールになると期待されている。

※2 蛍光…分子に対し、特定の波長の光を照射したとき、吸収した光を異なる波長で放出する現象を指す。例えば、青の光を分子に照射すると、緑の光が放出されることが観察される。この時、放出される光は分子の位置から放出されるため、分子の位置や状態を知ることができる。

研究内容に関する問い合わせ先

大阪公立大学大学院 工学研究科
准教授 許 岩(しゅう いぇん)

理化学研究所 生命機能科学研究センター
チームリーダー(研究当時)
田中 陽(たなか よう)

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学 広報課
担当:竹内

理化学研究所 広報室
報道担当

詳しい資料は≫

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