第20回NAIST産学連携フォーラム「光ナノサイエンスの最前線」( 2008.10.30, 大阪 )光に応答する人工細胞

奈良先端科学技術大学院大学
物質創成科学研究科

菊 池 純 一講演内容
1. 人工細胞膜とその利用
2. 有機−無機ナノハイブリッド 「セラソーム」
3. 有機−無機−金属ナノハイブリッド 「メタロソーム」
4. 「分子通信」 物質−バイオ−情報分野の融合

人工細胞膜： 応用分野の可能性
1. 医療 ： DDS、遺伝子キャリアーなど
2. 化粧品
3. 分子機能材料
4. 分子デバイス
5. 未来の情報通信システム

リポソームからセラソーム、そしてメタロソームへ
Metallic Layer
Ceramic Layer
Lipid Bilayer
Capsule Structure

Metallosome
Organic-Inorganic-Metallic
HybridCerasome
Organic-Inorganic
HybridLiposome
Organic Molecular
Assemblyセラソームの設計
H
O O O OSiSiOO SiOXConnectorNHydrophobic tailO

Inorganic precursor
O

1: X =

NH

2: X =+NBr-

3: X =

HN

4: X =
5: X =HN

NHOOCerasome

ONHセラソームの構造

50 nm
50 nm

50 nm

TEM (freeze-fracture)

TEM (negative staining)

1 µm

SEM

5 µm

Optical Micrograph

AFM

セラソームの物性： 高強度
DMPC Liposome

HOSiOOSiO

Triton X-100(TX-100)

Light scattering intensity
at 400 nm / arb. unit

100
Cerasome(24h incubation）

80

60
Cerasome(as-prepared)

40

DMPC-liposome

200102030

40[TX-100] / [Lipid]Cerasome 1[Lipid] = 0.1 mM, 30 ℃

セラソームの物性： ゲル−液晶相転移挙動

Cp / cal/M*deg

5000
4000
3000

Gel State
Tm = 10.5 ºC

2000∆H = 47.5 kJ mol-1
100001020Temperature / ºC
[Cerasome-forming lipid] = 0.5 mMLiquid Crystalline Stateセラソームの機能： 細胞にやさしい遺伝子キャリアー

Transfection+~ 50 nm φ

Cationic liposome-DNAcomplex
Lipofectamine
Lipofectin
Peptide lipid
Cerasome

NucleusCellセラソームの機能： 表面機能化の多様性_O_O_OOHSiSiSiOOOOOOH OOO SiSiSiSiSi OHOOHOH(a) シロキサンネットワークの強化
めっき層__OOOH O
O
O Si
Si
Si
Si
Si O
HOO

めっき液_ H_ H
OOOOOH O
O
O Si
Si
SiSi
Si OHOHO)3Et)( O
H2rN(n P
Si(e) 無電解めっきによる金属被覆

Si(OEt)4電解O

無O

H2N

H2N_O
Si_O_O
Si
Si
OOOOO
OH O
O
O Si
Si
Si
Si
Si O
HO(b) 有機官能基の導入

セラソーム
擬似体液Ti(OnBu)4ヒドロキシアパタイト層__二酸化チタン層__O
OOO
OH O
O
O Si
SiSi
Si
Si O
HOOOOOOH OO
O Si
SiSi
Si
Si O
HOO

(d) ヒドロキシアパタイト層による被覆

H2NO(c) 光触媒機能の付与

メタロソームの設計
Cerasome-forming Lipid

OSiO

H
NHNHNO

Hydrophobized Ligand
NPd(II)-binding

Cerasome( [1] : [2] = 90 : 10 ~ 99.9 : 0.1 )

COCON

1HN

2

Activation( Pd(II)→Pd(0) )Metallic Plating( Mn+ )

Metallosome

メタロソームの作製

Cerasome

Ni-Metallosome（after 3 min）

Electroles

Ni-Metallosome

s pla（after 4 min）

ting

Ni-Metallosome（after 5 min）

メタロソームの構造： 透過型電子顕微鏡像
NiC

Si

Elemental Mapping by EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)メタロソームの機能： 磁気マニピュレーション

Pd(II)-binding

Cerasome

Activation( Pd(II)→Pd(0) )Electroless Plating
Ni(II), Fe(II),( Co(II),)
BH /HNMe , etc.
32

MagneticCerasome

100 nm光に応答する分子通信システム
Propagation

Amplification
Mediator

Molecular
Switchhυ
EnzymeReceiverMolecular
Capsule分子スイッチの設計
X=N

O
C

HN

Y=N

X

NO
C

NH

C
H2NH

Y

Y
C O
N

O C
N

UV
VIS

trans-form
Gemini peptide Lipid

cis-form

分子カプセル伝搬の光マニピュレーション
UV

Vis[AzoBis(His2C16)], 0.05 mM; [DMPC], 0.5 mM; [Zn2+], 0.5 mM;[Rho-PE], 1.3 µM; [NBD-PE], 1.3 µM; at pH 9 and 30 ºC.

分子受信機での信号増幅
Amplification ofchemical signals
Input ofinformation

EnzymeMolecularswitch

Artificial cell化学シグナル増幅の光スイッチング
UVVis

Output ofMolecular
Information

MediatorVis

LDH Activity / %10080

EnzymeMolecular
Switch60

ON
Artificial Cell Membrane

4020

UV001VISUV23Mediator

4Cycle Number[AzoBis(His2C16)], 50 µM; [N+C5Ala2C16], 1.0 mM;[Cu2+], 4.0 µM; [LDH], 2.8 nM; [NADH], 250 µM;[Pyruvate], 500 µM;
in HEPES buffer (10 mM) at pH 7.0 and 40 ºC.

EnzymeMolecularSwitchOFF

Artificial Cell Membrane