ISSP ワークショップ

日時：2015 年 4 月 2 日(木)～2015 年 4 月 3 日(金)場所：物性研究所本館６階 大講義室(A632)
研究会提案者：山室 修、森 初果、信 淳、小森 文夫、
柴山 充弘、末元 徹、秋山 英文、杉野 修、野口 博司、
原田 慈久、松田 巌、リップマー ミック
本ワークショップ「ソフトダイナミクス」は、『機能物性融合科学』を標題とした研究会シリーズの第 2 回目として開催された。この研究会シリーズは、物性研将来計画の「新分野センター(名称未定)」の検討ワーキンググループ(本研究会の提案者がメンバー、平成 26 年 2 月に活動開始)により企画されたものである。今日の物性科学は、基礎科学として成熟し、分野が新しい分野を生み、加速度的な発展を続けている。一方、各分野の細分化が進み、それぞれに独自の進化の道を歩んでいる面がある。本研究会シリーズでは、共通キーワードとして「機能物性」を取り上げ、学理の未発達な領域に踏み込みつつ、分野融合の物性科学研究に挑戦する。また、機能物性融合科学に関する、ブレインストーミング・コミュニティー
形成・動向調査などを目的とする。なお、本ワークショップは、平成 26 年 12 月 26 日に提案された後、平成 27 年 1 月
22 日所員会で承認され、物性研ホームページや各種学会メーリングリストなどを通じて案内・周知がおこなわれた。
シリーズの第 2 回となる本ワークショップでは「ソフトダイナミクス」にフォーカスした。単に従来の｢ソフトマター｣の研究会ではなく、ソフトマター(高分子、ミセル・液晶などの高次構造体、複雑流体、生体系など)をベースにし、それらが特徴的なダイナミクスを示すとともに、興味深い機能を現出する系の話題を様々な分野から集めた。招待講演者は、提案者全員によるノミネート・議論を経て、バランスを考慮して選出した。ポスター発表は、一般募集により集めた。最終的に、口頭発表 18 件(招待講演)、ポスター発表 26 件(一般募集)が集まった。参加者数は、初日 80 名(学内 45 名、学外 35 名)、2 日目 74 名(学内 59 名、学外 15 名)であった。物性研にとってはあまり馴染みのないテーマのワークショッ
プであり、年度初めの忙しい時期ということもあり、参加者が少なくなることを覚悟していたが、多数の方々にご参加いただき、大変有意義で活発な質疑応答・議論が行われた。
研究会初日は生命科学の発表が中心であった。現在、ソフトマター分野、生物物理学分野の最もホットな研究対象の一つに｢アクティブマター｣と呼ばれるものがある。これは外力なしに自律運動する非平衡系の総称で、生体分子モーターのように生物に近い系から、非対称なコロイド粒子のような人工的な系まで様々なものが知られている。研究会のオープニングトー
クとして、佐野氏(東大)がアクティブマターの概要とその理論的取扱の基礎について講演した。ほぼ全員が専門外である物
性研の聴衆にとって、たいへん教育的で有意義な内容であった。続いて、市川氏(京大)がアクトミオシンからなるモデル細胞膜の自律運動の実験、水野氏(九大)が揺動散逸定理の破れに着目したアクティブマターの駆動力(非平衡力)の理論、野地氏(東大)が ATP の加水分解反応による回転分子モーターの実験の話を行った。アクティブマターの重要な観点は、運動を継続するためにいかにしてエネルギーを供給し力に変換するかであるが、その過程が分かりやすく解説された。
２番目のセッションでは、蛋白質や DNA の構造とダイナミクスに関する講演が行われた。Li 氏(物性研)は高分子ゲル
網目中の DNA の泳動に関して丁寧な実験を行い、高分子科学の基礎である Rouse/Reptation モデルや高分子鎖のエント
ロピーを用いて明快な解釈を示した。中川氏(JAEA)は蛋白質や DNA の周りの水和水のダイナミクスについて中性子準
弾性散乱と分子シミュレーションを用いた研究を発表した。高橋氏(東北大)は蛋白質のフォールディングという大問題について、10s の高実時間分解能で一分子蛍光分光を行うという画期的な実験結果を示した。白井氏(京大)は DNA と結合して遺伝子発現を制御しているクロマチンと呼ばれる蛋白質のダイナミクスについて、粗視化モデルを用いた分子シミュ
レーションの結果を発表した。いずれも、現在の生命科学の最前線の研究であり、たいへん興味深かった。

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

312 日目の最初のセッションは表面・界面のセッションであった。井上氏(京大)は中性子散乱法(とくに中性子反射率法)
を用いて、高分子薄膜のガラス転移に関わるダイナミクスの研究を紹介した。玉田氏(九大)は、金属ナノ粒子が自己組織化して形成する微粒子シート上での細胞などの蛍光イメージングについて発表した。金属ナノ粒子のプラズモン共鳴を利用して蛍光増強と高空間分解能を両立するというのは見事なアイデアである。早水氏(東工大)はグラフェン表面でペプチドが自己組織化し、それがバイオセンサーになるという話をされた。まさに物性物理と生物の融合と感じられる内容であった。
2 番目のセッションでは、機能性物質に関する発表が行われた。芥川氏(東北大)はベンゼンやピレンに複数のテトラデ
シルアミド基を導入したディスク状分子を合成し、そのカラムナー液晶相において、分子間水素結合に由来する強誘電性や発光特性を見出した。福島氏(東工大)は、同じくディスク状のトリフェニレン系分子で cubic 液晶相になる系を見出し、
電子系ソフトマターとして発展させた。吉田氏(東大)は化学振動反応として知られている BZ 反応をゲル中で引き起こ
し、周期的な膨潤収縮運動や高分子鎖の形態変化を起こすゲルを開発した。まるでゲルが生きているような印象を与える
非常に興味深い内容であった。以上の 3 つの発表は、どれも独創的な発想によって生まれた新規物質を対象としており、有機系の物質開発の大きな可能性を感じさせた。
最後のセッションでは、話が大きく変わり、液晶や膜のソフトマター物理についての発表が行われた。山室氏(物性研)は、近年話題のイオン液体の高次構造が液晶由来のものであることを見出し、その階層的なダイナミクスを中性子散乱により調べた。福田氏(産総研)は、キラル液晶の数値計算から、ねじれた配向構造や欠陥構造の形成について発表した。最
近話題になっているキラル磁性体のスカーミオン構造とのアナロジーは興味深かった。佐々木氏(北大)は、液晶内のコロ
イド粒子に交流電場を印加したときに、コロイド粒子が芋虫のように電気泳動を起こすことを見出した。
最後の講演では、野口氏(物性研)が生体膜の分子シミュレーションの発表を行った。生体膜には棒状の蛋白質のドメインが存在するが、そのドメインが膜の形態変化に与える影響が明快に示された。以上の 4 つの発表は広い意味で構成粒子や外場が非等方的あるいはキラルであるときに起こる現象であり、ソフトマターのダイナミクス研究の新しい展開と言えよう。
初日の最後に行われたポスターセッションでは、招待講演の内容に近いテーマから全く異なるテーマ(例えば水素吸蔵
物質や気泡生成)まで、非常に幅広いテーマの発表が行われた。発表者には、招待講演者や世話人の研究室以外からも、多くの若手研究者(助教、ポスドク、学生)が集まった。ポスター発表数(26 件)は第 1 回のワークショップを上回っており、本研究会シリーズの注目度がどんどん上がっているのであれば幸いである。
研究交流会(懇親会)と平行して行われたため、議論が盛り上がるかを心配していたが、リラックスした雰囲気が功を奏したのか、招待講演者を中心としたシニアの研究
者と若手研究者の間で活発な議論が行われた。
以上のように、講演の分野は本当に多岐にわたっており、しかも物性研内部の研究テーマからはかなり異なっているにもかかわらず、全てのセッションで休憩時間がほとんど無くなるほど活発な討論が行われた。これは、発表者の方々が専
門外の聴衆に配慮した話をされたこと、逆に聴衆の方々は初歩的な質問や全く異なる立場からの質問を遠慮無くして頂いたことによる。世話人として、参加者全員に心から感謝したい。
最後に、本ワークショップの企画・準備・開催・報告の各段階で、多くの物性研事務部および各研究室の方々にご協力いただいた。特に、共同利用係の松尾飛鳥氏、中性子科学研究室補佐員室の本田裕子氏、羽部なおみ氏、安保真理子氏に、この場を借りて感謝したい。

集合写真

32

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

講演会場

４月２日（木）１３：００〜

ポスター発表＆研究交流会（２０〜２５分講演＋５〜１０分討論＝３０分／人）

１３：００ 所長挨拶（瀧川 仁）、趣旨説明（山室 修）【セッション１】１３：１５〜非平衡ダイナミクス・自律運動座長 野口 博司

1. 佐野 雅己（東大院理）

ソフトマターと生物をつなぐアクティブマター

2. 市川 正敏（京大院理）再構成アメーバ液滴の自律変形と運動

3. 水野 大介（九大院理）揺動散逸定理を破る生き物の非平衡揺らぎ

4. 野地 博行（東大院工）回転分子モータータンパク質 F1-ATPase の１分子ダイナミクス

１５：１５〜１５：４５ 休憩【セッション２】１５：４５〜

タンパク質・ＤＮＡダイナミクス

5. Li Xiang（東大物性研）

均一高分子網目構造内における DNA の電気泳動挙動

6. 中川洋（原子力機構）

水和と共役した生体分子のダイナミクスと機能発現

7. 高橋聡（東北大多元研）

8. 白井 伸宙（京大院理）座長 秋山 英文

一分子蛍光分光法によるタンパク質のフォールディング研究
リンカーヒストンが引き起こすクロマチン構造のコンパクト化のダイナミクス

ポスター発表＋研究交流会＠６階ラウンジ １８：００〜２０：００

４月３日（金）９：００〜【セッション３】９：００〜

表面・界面ダイナミクス

9. 井上 倫太郎（京大原子炉）

中性子散乱による高分子薄膜のダイナミクス

10. 玉田銀微粒子シートによるナノ界面の高分解能蛍光イメージング

薫（九大先導研）

11. 早水 裕平（東工大院理工）座長 信 淳

２次元ナノ材料上のペプチド自己組織化：
バイオーエレクトロニクス界面の物性■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

33

１０：３０〜１１：００ 休憩【セッション４】１１：００〜

機能性固体・高分子

12. 芥川 智行（東北大多元研）

動的水素結合を利用した発光性強誘電体の創製

13. 福島 孝典（東工大資源研）

新しい構造形態を有するπ電子系ソフトマター

14. 吉田化学振動反応を利用した自励振動ゲルの創成とそのダイナミクス

亮（東大院工）座長 柴山 充弘

１２：３０〜１３：３０ 昼食【セッション５】１３：３０〜

液体・中間相・膜のダイナミクス

15. 山室イオン液体のナノ構造とソフトダイナミクス

修（東大物性研）

16. 福田 順一（産総研）

薄いキラル液晶セルが形成する特異な欠陥構造

17. 佐々木 裕司（北大院工）液晶電気対流を用いたコロイド粒子の芋虫運動

18. 野口 博司（東大物性研）

タンパク質吸着による生体膜の形態変化

座長 森 初果

１５：３０ まとめ・閉会挨拶（副所長・小森 文夫）

ポスター発表リスト（4 月 2 日（木）１８：００〜）
P.01.

梶谷

孝（東工大資源化学研）

オルトフェニレンオクタマー：ディスコティック液晶
カラムの巨視的垂直配向をもたらすドーパント

P.02.

石割 文崇（東工大資源化学研）

凝集誘起発光部位を有するポリアクリル酸及びそのゲルの特異な Ca2+センシング能P.03.

清木 規矢（東工大資源化学研）

巨視的スケールで高度な二次元配列規則性を有する分子性薄膜の創製

P.04.

景山 義之（北大院理、JST さきがけ）

アゾベンゼンの光異性化が誘起する酸解離現象と巨視的ソフトマター
ダイナミクス

P.05.

池上 智則（北大院総化）

P.06.

高見

P.07.

鈴木 健太郎（神奈川大理）

運動開始に遅れのある紫外線応答性油滴の自己駆動系

P.08.

根本 文也（東大物性研）

中性子散乱で観た液晶性イオン液体のナノ構造とダイナミクス

P.09.

秋葉

宙（東大物性研、JST-CREST）

Pd ナノ粒子中の水素の原子配置とダイナミクス

P.10.

守島

健（東大物性研）

両親媒性交互共重合体が水溶液中で形成する疎水性物質内包ミセル

剛（阪大院理）

定常光照射下における薄膜状結晶の巨視的振動の創発
革新的 1 次元空間を有する新物質とその水素吸蔵ダイナミクス

の構造
P.11.

関

和彦（産総研）高い異方性を持つ分子の拡散吸着過程の理論およびシミュレーション

P.12.

原

諒平（九大院理）

不均一環境での溶質の速度に対する溶媒の動的な効果

P.13.

山田 一雄（九大院理）

非平衡定常駆動系における相反関係式

P.14.

玉手 亮多（東大院工）自励振動ベシクル：ブロック共重合体が形成する超分子集合の周期的
構造変化

P.15.

増田

造（東大院工）自励振動ポリマーブラシ表面の動的機能発現とその評価

P.16.

上田

顕（東大物性研）

新規な水素結合系純有機結晶の構造とプロトン伝導性

P.17.

富永 大輝（CROSS 東海）

34

物性研だより第 55 巻第 2 号

水が及ぼす水溶性高分子の構造・ダイナミクスの変化■■■ ■ ■ ■■

P.18.

篠原 修平（九大先導研）

プラズモンフルカラーを用いたカラリメトリックバイオセンサーの
開発

P.19.

斉藤 昇（九大先導研）

ジチオール置換銀微粒子二次元膜の安定性に関する研究

P.20.

櫻井 信孝（北大院工）

液晶欠陥の格子状配列とそれに及ぼす流れの影響

P.21.

芝 隼人（東大物性研）

剪断流下の界面活性剤系の構造形成の粗視化分子シミュレーション

P.22.

山添 康介（東大新領域）

ポリマーブラシ中に閉じ込められた水の電子状態の観測計画

P.23.

関 貴一（東工大院理工）

電気化学的なバイアスによるペプチドの自己組織化挙動の制御

P.24.

渡辺 宙志（東大物性研）

多重気泡生成過程のペタスケール分子動力学シミュレーション

P.25.

中川 恒（東大物性研）

化学反応下での両親媒性集合体の形態変化

P.26.

山室 憲子（東京電機大）中性子準弾性散乱によるグリシンベタイン水溶液のミクロダイナミクス

ソフトマターと生物をつなぐアクティブマター
佐野 雅己（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻）

わずかな力でしなやかに構造を変化させるソフトマター。そのソフトマターを非平衡状態にすると何が起こるかは、これまでソフトマター物理学や複雑流体の分野で盛んに研究が行われてきた。
一方、外力が働かない場合でも、系を構成する物質や要素が内部で力を発生する系は、自ら動き回ることができる。このような系は、近年、アクティブマターと呼ばれ、研究が活発化している。散逸系で内部から力を発生し、運動を継続する
ためには、何らかのエネルギー供給と変換が必要であり、その系は必然的に非平衡系となる。また、自己駆動する要素が多数集まった系では、平衡系では見られない、秩序・無秩序転移や、特異な集団運動が出現することが知られている。これらの現象は、生体分子モーターの集合体や細胞集団、あるいは人工的に構成された自己駆動コロイド粒子など、様々の実験系で観測されることが最近明らかになってきた。また、アクティブマターを記述する方程式は、液晶の理論などの延長線上にあり、ソフトマター理論の非平衡への拡張としての側面も持っている。その意味で、アクティブマターは、ソフ
トマターから発生し、生命現象の記述を目指す分野の一つと言うことができる。講演では、非平衡系物理学の中の新しい概念であるアクティブマターの実験と理論について紹介する。
＜参考文献＞[1] T. Vicsek, et al., Phys. Rev. Lett. 75, 1226 (1995).
[2] M.C. Marchetti, et al. Hydrodynamics of soft active matter. Rev. Mod. Phys.85, 1143 (2013),[3] H.R. Jiang, N. Yoshinaga, M. Sano, Phys. Rev. Lett., Vol. 105, 268302 (2010).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

35

再構成アメーバ液滴の自律変形と運動西上 幸範、伊藤 弘明、園部 誠司 1、○市川 正敏(京都大学・大学院理学研究科、1 兵庫県立大学・大学院生命理学研究科)

本研究は、細胞や細胞膜の変形に関与している、アクチンとミオシンの複合体(アクトミオシン)の動的な物性の一端を明らかにした。人間を含む真核生物の細胞膜は、脂質分子の二分子膜を基本とし、そこに埋め込まれた多種類の分子や、膜を裏打ちする細胞骨格のネットワークから構成されている事が知られている。特に、膜直下に存在するアクチンとミオシンの組は分子モーターであり、細胞膜の変形における力生成の源として研究が盛んである。このアクトミオシンを物理的な枠組みで見れば、それぞれ繊維状に自己集合したアクチンとミオシンで構成された、薄膜形状の動くゲルである。この薄膜ゲルは膜面方向に収縮する性質を持っており、細胞に見られる様々な現象において果たす役割に興味が持たれている。我々も、その性質を利用する事でアメーバ様運動を再現するモデル系を構築してきた[1]。今回、アクトミオシンの細胞サイズの空間に閉じ込める事で上記の動く薄膜ゲルを膜直下に再構成し、構造やそのダイナミクスを測定する事に成功
した[2,3]。
＜参考文献＞[1] Y. Nishigami, et al., PLoS ONE 8(8): e70317. (2013).
[2] Y. Nishigami, H. Ito, S. Sonobe, and M. Ichikawa (submitted).
[3] H. Ito, Y. Nishigami, S. Sonobe, and M. Ichikawa (submitted).

揺動散逸定理を破る生き物の非平衡揺らぎ
水野 大介（九州大学 理学研究院）

生き物の最小単位である細胞の諸機能は、柔らかい生体物質(バイオロジカルソフトマター)が熱的・非熱的に駆動されることで発現する。ソフトマターは外場に対して巨大に、かつ、著しく非線形に応答することを特徴とするため、生命現
象は非線形性・非平衡性が色濃く現れる予測困難な力学過程である。こうした非平衡状態にある細胞内部環境では、熱平衡系における統計物理学の基本定理である揺動散逸定理が破れている。この揺動散逸定理の破れを解析することで、逆に細胞内部で生じている非熱的な揺動力や非平衡な動力学的過程を究明することができる。ここで、非熱的な揺動力とは、
例えばモーターたんぱく質が ATP を加水分解して得たエネルギーを利用して生み出す非平衡力のことを指す。
本講演では、培養細胞や人工的に作製した“生きている細胞骨格ゲル”において、揺動散逸定理が破れていることを実証するとともに、i)生き物の非平衡揺らぎの統計的な性質(Levy)が平衡系のもの(Gauss)とは本質的に異なること、ii) 非平
衡揺らぎと系の力学挙動の間に協奏的な強い相関関係が観測されることを報告する。
＜参考文献＞[1] D. Mizuno, C. Tardin, C. F. Schmidt, and F. C. MacKintosh, Science 315, 370 (2007).
[2] D. Mizuno, R. Bacabac, C. Tardin, D. Head, and C. F. Schmidt, Phys. Rev. Lett. 102, 168102 (2009).
[3] 水野大介、日本物理学会誌 66, 276 (2011). (pdf:http://sleipnir.sci.kyushu-u.ac.jp/mizuno/index.html)

36

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

回転分子モータータンパク質 F1-ATPase の 1 分子ダイナミクス
野地 博行（東京大学工学研究科応用化学専攻）
F1-ATPase は、固定子リングに回転子が突き刺さった構造を持ち、ATP の加水分解反応にともなって回転子が回る回転分子モーターである。ちなみに、ここでいう回転とは相対的なものであって、回転子を固定すると固定子リングが回転する。トルクを発生する触媒部位は固定子リングに存在し、3 つの触媒部位が 120°おきに配置する。F1-ATPase が発生するトルクは 40pNnm、1 回の加水分解反応あたりの回転角度は 120°であり、その仕事量は 80pNnm となる。これは、1 分子の ATP 加水分解から得られる自由エネルギー約 80pNnm(=20kBT)に匹敵する。この高いエネルギー変換効率は、反応の高い可逆性を意味する。実際、このモーターを強制的に逆回転させると、自由エネルギーに逆らって ATP が合成される。この高いエネルギー変換効率、反応の可逆性から、生物物理学だけではなく化学・物理学者によっても様々な研究が行われてきた。時間の関係上全てを網羅したオーバービューは話せないが、F1-ATPase の基本的な性質を紹介した後、最近のトピカルな話題をいくつかピックアップして紹介したい。

均一高分子網目構造内における DNA の電気泳動挙動
Li Xiang (東京大学物性研究所 柴山研究室)
ゲルやポリマー溶液などの高分子網目構造内での物質の動的挙動は、対象物質と網目の物理的な相互作用により、自由溶液中での挙動と大きく異なる。そのユニークな動的挙動は、ゲル電気泳動、サイズ排除クロマトグラフィー、薬物の徐放化など、実に様々な分野で利用されている。ゲル電気泳動はこれらの応用の中でも最も歴史が古く、主に DNA などのポリ電解質のサイズ分離に利用されている。DNA の泳動挙動に対して多くのモデルが提唱されているが、実験結果との乖離が見られ、未だに十分に理解されていない。1
そこで、本研究ではゲルやポリマー溶液の構造パラメーターである架橋点間重合度やポリマー体積分率、さらに DNAの鎖長を系統的に調整し、網目構造内での DNA の泳動挙動を調査した。その結果、DNA の移動度は、その鎖長のベキ関
数と指数関数の積で記述できることが明らかになった。ベキ関数項はポリマー溶液中では Rouse モデル、ゲル中ではReptation モデルと一致した。一方で、指数関数項はポリマー溶液中・ゲル中に依らず、同様の鎖長依存性を示し、Entropic
trapping model の予測と類似した挙動を示した。網目構造内での泳動挙動は基本的な泳動挙動 (Rouse/Reptation)とエントロピー障壁の 2 つのメカニズムに同時に支配されていることが強く示唆された。2＜参考文献＞[1] Viovy, J. L. Reviews of Modern Physics 2000, 72, 813.
[2] Li, X.; Khairulina, K.; Chung, U.; Sakai, T. Macromolecules 2014, 47, 3582–3586.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

37水和と共役した生体分子のダイナミクスと機能発現中川 洋 (原子力機構・量子ビーム、JST・さきがけ)
本研究は、中性子非干渉性散乱を用いて、蛋白質や DNA の水和と機能発現関係性の解明を目的として行った。これまで、中性子非干渉性散乱実験と分子シミュレーションを組み合わせることで、生体分子の水和やダイナミクスの研究を行ってきた。生体分子の水和やダイナミクスの研究では、中性子を使うことで、”分子の熱揺らぎが分かる”、”水がよく見える”という、中性子の持つ量子ビームとしての特徴を活かした研究が行える。また中性子散乱の実験データの解析に分子シミュ
レーションを援用することで、原子分解能で構造ダイナミクスの解析を行うという、実験と計算を相補的・相乗的に融合させた解析は有効である。本発表では、中性子散乱と分子シミュレーションを組み合わせた研究によって、生体分子の機能を支える構造揺らぎが、水和水との相互作用で発現する仕組みを解明した研究について紹介する。
＜参考文献＞[1] H.Nakagawa et al., (2010) JPSJ, 79, 083801[2] H.Nakagawa et al., (2014) Phy.Rev.E., 90, 022723

一分子蛍光分光法によるタンパク質のフォールディング研究高橋 聡 (東北大学・多元物質科学研究所)

タンパク質は、ランダムコイルの性質を持つ変性状態から、一次配列により定められる単一構造に自発的にフォールディ
ングする性質を持つ。タンパク質のフォールディングは、タンパク質の構造予測や新規デザインなど、さまざまな応用と関連する重要な研究課題である。
近年、David Baker と David Shaw という２人の研究者が、この分野に変革をもたらしつつある。Baker らはタンパク質の構造予測やデザインを可能にし、新規酵素のデザインにも成功した[1]。Shaw は、生体分子の長時間の分子動力学計
算を可能にする専用マシンを開発し、様々な系に応用を広げている[2]。今後、大規模な計算を用いてフォールディング機
構を理解するとともに、タンパク質のデザイン研究が進展すると予想される。
我々は、タンパク質のフォールディング運動を、一分子レベルで観察するための装置開発を進めている。これまでの努力により、十マイクロ秒の時間分解能で 10 ミリ秒程度の一分子時系列データの観察が可能となった[3]。我々が明らかにしたタンパク質の物性について紹介し、さらにどのような装置の工夫が可能か、どんな現象が面白いかなどの話題を提供
したい。
＜参考文献＞[1] Siegel et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. (2015) asap article.
[2] Piana, Lindorff-Larsen, Shaw, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. (2013) 110, 5915-5920.
[3] Oikawa, Suzuki, Saito, Kamagata, Arai, Takahashi, Sci. Rep. (2013) 3, 2151.

38

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

リンカーヒストンが引き起こすクロマチン構造のコンパクト化のダイナミクス
白井 伸宙 (京都大学大学院理学研究科)
真核細胞の核内において DNA はクロマチンと呼ばれるタンパク質との複合体を形成して高度に凝縮して存在している。
コンパクトなクロマチン構造が誘起されるとその構造に含まれる DNA 上の遺伝子発現が抑制されるため、クロマチンの構造変化のダイナミクスは生体機能の制御について知る上で重要である。リンカーヒストン H1 はクロマチン構造を凝縮させるタンパク質として知られており、クロマチンの基本単位であるヌクレオソームに結合してヌクレオソーム同士の配置や相互作用を変化させることが電子顕微鏡[1]や NMR[2]によって観察されている。しかし、これらの実験でヌクレオソームの構造変化のダイナミクスを追うことは困難であり、また H1 が持つ C 末端の長い変性部位がどのように凝縮に寄与しているのかは観測できていない。そこで本研究では H1 とヌクレオソームを含む粗視化モデルを構築し、分子動力学
シミュレーションを行って凝縮過程や H1 の C 末端変性部位の動きを解析した。ヌクレオソームは DNA がヒストンコアに巻き付いた構造を持ち、隣のヌクレオソームへと繋がる DNA 部分はリンカーDNA と呼ばれる。シミュレーションの結果、H1 の C 末端変性部位はヌクレオソームから飛び出している二つのリンカーDNA に絡みつき、DNA がヒストンコア
により巻き付いた構造を誘起することがわかった。この結果から、H1 の変性部位はヌクレオソーム構造の凝縮ダイナミ
クスにおいて重要な役割を持つことが示された。
＜参考文献＞[1] F. Song et al., Science 344: 376-380(2014).
[2] B.-R.Zhou et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 110: 19390-19395 (2013).

中性子散乱による高分子薄膜のダイナミクス
井上 倫太郎 (京都大学原子炉実験所)
近年の計測技術の向上に伴い、高分子薄膜の物性はバルクと大きく異なることが知られている。ガラス転移温度 (Tg) [1]、熱膨張係数の膜厚依存性、bulk Tg 以下での脱濡れ [2]などが例として挙げられる。特にガラス転移温度は高分子薄膜の熱的安定性に直結しているため、高分子薄膜の Tg に関する研究はこれまでＸ線・中性子線反射率法、エリプソメトリー、走査プローブ顕微鏡、誘電緩和などにより詳細に調べられてきた。その結果、最も単純な高分子の一つであるポリスチレン(PS)薄膜の場合には膜厚が減少するに伴い Tg が減少することが明らかとなった。具体的にどのようなメカニズムが作用して高分子薄膜特有の特異な Tg 挙動に繋がっているかに関する知見は欠落したままである。ガラス転移自体は旧来考えられてきたように熱力学的相転移ではなく、緩和現象である。そのため、高分子薄膜の Tg 挙動を理解するためにはダイナ
ミクス研究を積極的に行う必要性があるが、分子レベルのいわゆるミクロスケールにおける分子運動を実験的に明らかにする試みはこれまでほとんど行われていない。そこで、そのような状況を打開するため中性子散乱を利用して高分子薄膜のダイナミクス測定を行い、高分子薄膜のガラス転移機構解明を目指した [3]。
＜参考文献＞[1] J. L. Keddie et al., Faraday Discuss. 98, 219 (1994).
[2] G. Reiter et al., Macromolecules 27, 3046 (1994).
[3] R. Inoue et al., Phys. Rev. E. 80, 031802 (2009).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

39銀微粒子シートによるナノ界面の高分解能蛍光イメージング
玉田 薫 (九州大学 先導物質化学研究所)
金属ナノ微粒子をはじめとするナノ材料は、ナノサイズに由来する特有の光学的および電気的特性により、さまざまなデバイス応用が期待されている。中でも金属ナノ構造体による局在プラズモン共鳴（Localized surface plasmon resonance(LSPR))は、基礎と応用の両方において、近年進展がめざましい研究分野である。
近年我々は粒径の揃った銀微粒子(直径 5 nm)および金微粒子(直径 10 nm)の多次元自己組織化とそのプラズモン特性について研究を進めている[1]。これら金属ナノ微粒子は界面活性を有し、気水界面に展開すると自発的に２次元結晶を形成する [2]。これら微粒子シートを蛍光増強基板として用いると、界面から数 10 nm の領域でのみ波長選択的に蛍光増強効果が現れる。伝搬型プラズモン由来の蛍光増強とは異なり空間分解能が低下しないため、ナノ界面に特化したイメー
ジングを高空間分解能で行うことが可能である。これまでに、高速 CCD カメラによる直径 1m の蛍光ビーズ観察において、30 ms/frame の実時間観察で、160 nm の空間分解能を維持しつつ、蛍光強度を４倍上げることに成功している[3]。
最近の試みとして、広島大学との共同研究で、銀微粒子二次元シート基板上に接着した細胞の接着点の高分解能観察に成功している。今後は局在プラズモン下での高分解能局所蛍光顕微鏡観察を通じて、ナノ界面における分子ダイナミクスに関する研究を進めたいと考えている。
＜参考文献＞[1] K. Okamoto, B. Lin, K. Imazu, A. Yoshida, K. Toma, M. Toma, K. Tamada, Plasmonics, 8, 581, 2013. A. Yoshida, K.
Imazu, X. Li, K. Okamoto, K. Tamada, Langmuir, 28, 17153, 2012.
[2] M. Toma, K. Toma, K. Michioka, Y. Ikezoe, D. Obara, K. Okamoto and K. Tamada, Phys. Chem. Chem. Phys., 13,7459, 2011.
[3] E. Usukura, S. Shinohara, K. Okamoto, J. Lim, K. Char, K. Tamada, Appl. Phys. Lett., 104, 121906, 2014.

２次元ナノ材料上のペプチド自己組織化：バイオ-エレクトロニクス界面の物性
早水 裕平 (東京工業大学大学院 有機高分子物質専攻)
本研究では、グラフェン表面で特異的に自己組織化する固体吸着ペプチドを用い、ナノ材料とバイオ材料の複合システ
ムを構築し、新規なバイオ・エレクトロニクス分野の開拓を目指します。我々の研究室では、米国ワシントン大学のサリカヤ研究室との共同研究において、バイオコンビナトリアル法を用いてグラフェン・グラファイトに特異的に吸着するア
ミノ酸 12 個からなるペプチドを 60 個、選択しました。そのうちの１つが、グラファイト上に長さ数ミクロン、幅数ナノのナノワイヤー状の構造に自己組織化することが発見されました[1]。このペプチドのアミノ酸配列の一部を変化させることによって、ペプチドの自己組織化を制御することが可能です[2]。近年は、これらのペプチドを用いたバイオセンサーの実証もなされています[3]。
これらの研究をさらに発展させ、現在では、グラフェン以外の種々の 2 次元ナノ材料上で自己組織化するペプチドの開発に成功しました。講演ではその界面の物性について発表いたします。
＜参考文献＞[1] C. R. So, et.al., “Controlling Self Assembly of Engineered Peptides on Graphite by Rational Mutation,” ACS Nano,
6 (2) 1648-1656 (2012).
[2] D. Khatayevich, et.al., "Controlling the Surface Chemistry of Graphite by Engineered Self-Assembled Peptides"
Langmuir, 28, 8589 (2012).
[3] D. Khatayevich, et.al., “Selective Detection of Target Proteins by Peptide-Enabled Graphene Biosnsor”, Small, 10,1505-1513 (2014).

40

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

動的水素結合を利用した発光性強誘電体の創製
芥川 智行 (東北大学多元物質科学研究所)
本研究は、水素結合性の分子集合体の新規機能の開拓を目的として行った。[1-3]ベンゼンやピレンなどに複数のテトラデシルアミド基(-CONHC14H29）を導入し(CONHC14H29)nた誘導体の分子会合特性、分子集合体形成および分子間水素結合に由来する強誘電性の発現に関する検討を行った。5 種類のベンゼン誘導体 1~5 に関する系統的な検討を行い、機能拡張の観点からピレンに 4 本の-CONHC14H29 鎖を導入した

C14H29HNOC

1: n=22: n=3
3: n=4
4: n=5
5: n=6CONHC14H29

化合物 6 を新規に合成し、その分子会合能、光物性および強誘電体物性に関する検討を行った。
化合物 2~6 は、温度上昇に伴い、固相－カラムナー液晶相(Colh)転移を示した。化合物 2、4 および 6 の Colh 相では、強誘電性の発現が電場－分極ヒステリ

C14H29HNOC

CONHC14H29
6

シスから確認された。6 は、濃度に依存した発光特性を示し、また興味深い電流図 本研究で用いた分子スイッチング現象を示した。
＜参考文献＞[1] T. Akutagawa et al., J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 291[2] Y. Yoshii et al., Chem. Eur. J., 2014, 20, 16279.
[3] Y. Shishido et al., J. Phys. Chem. C. 2014, 118, 21204.

新しい構造形態を有する電子系ソフトマター
福島 孝典 (東京工業大学 資源化学研究所)

言うまでもなく物質の構造は、その性質を決定付ける根源的因子である。換言すれば、新構造の発見は新現象、新機能創出に通じる大きな可能性を秘めている。我々は、ある種のディスク状分子が空間群 Ia3d に属するキュービック相を形成するという過去にほとんど例のない物質系の発見[1,2]を契機に、いくつかの類縁体の設計とそれらの構造を検討した結果、ソフトマターの新たな振る舞いを見出した。
本発表では、キュービック相を形成するディスク状分子の探索を通じて見出した、（1）巨視的にモノドメイン構造を与える誘導体、（2）その X 線反射データの収集と精密構造解析、（3）その結果明らかになった Cub 構造について述べる。
さらに、この展開研究から見出した、これまでの分子集合体の常識に当てはまらない新現象についても議論したい。
＜参考文献＞[1] Discotic Liquid Crystals Stabilized by Interionic Interactions: Imidazolium Ion- Anchored Paraffinic Triphenylene,
J. Motoyanagi, T. Fukushima, T. Aida, Chem. Commun. 2005, 101-103.
[2] Bicontinuous Cubic Liquid Crystalline Materials from Discotic Molecules: A Special Effect of Paraffinic Side Chainswith Ionic Liquid Pendants, Md. A. Alam, J. Motoyanagi, Y. Yamamoto, T. Fukushima, J. Kim, K. Kato, M. Takata,
A. Saeki, S. Seki, S. Tagawa, T. Aida, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17722-17723.

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

41化学振動反応を利用した自励振動ゲルの創成とそのダイナミクス
吉田 亮 (東京大学大学院工学系研究科)
演者は刺激応答性高分子ゲルの研究に長い間携わる一方で、心臓の拍動のように一定条件下で自発的に周期的リズム運動を行う新しい「自励振動ゲル」を開発した。Belousov-Zhabotinsky(BZ)反応は、時間リズムや空間パターンを自発的に生み出す化学振動反応としてよく知られている。この BZ 反応を、金属触媒を化学的に結合したゲル内で引き起こし、
その化学エネルギーを力学エネルギーに変換する分子設計を行うことによりゲルの周期的な膨潤収縮振動や高分子鎖の周期的形態変化を生み出すことに成功した。1996 年に初めてこの「自励振動ゲル」(self-oscillating gel)を報告し[1]、以降系統的に研究を進めている。生体模倣アクチュエータ、自律物質輸送システム、自励振動ポリマーブラシ表面、周期的粘弾性変化を伴う機能性流体など、時空間機能をもつ新たな自律機能材料への応用展開を試みている[2]。また近年ではミセル構造[3]やベシクル構造[4]の形成崩壊サイクルを繰り返す新規 AB, ABA, ABCBA 型ブロック共重合体の創製、細胞膜に見られるような周期的かつ自律的な二重膜構造の変形を生起する架橋ベシクル[5]の創製に成功した。本講演ではこれらの最新の成果を紹介する。
＜参考文献＞[1] R. Yoshida, T. Takahashi, T. Yamaguchi and H. Ichijo : J. Am. Chem. Soc., 118, 5134 (1996).
[2] R. Yoshida and T. Ueki : NPG Asia Materials, 6, e107 (2014).
[3] T. Ueki, M. Shibayama, R. Yoshida : Chem. Commun., 49, 6947 (2013).
[4] R. Tamate, T. Ueki, M. Shibayama, R. Yoshida : Angew. Chem. Int. Ed., 53, 11248 (2014).
[3] R. Tamate, T. Ueki, R. Yoshida : Adv. Mater., 27, 837 (2015).

イオン液体のナノ構造とソフトダイナミクス
山室 修、古府 麻衣子、根本 文也 (東京大学物性研究所・附属中性子科学研究施設)
イオン液体はおそらく現在の液体科学分野で最も注目されている液体である。単一のイオン性物質であるにもかかわらず、室温で液体であり、それが過冷却しガラス転移を示す。イオン液体の陽イオンは、イミダゾール環などのコア部分(正電荷が局在)にアルキル鎖が結合した構造をもつ。イオン液体が興味深いのは、このコア部分と陰イオンからなるイオン性ドメインとアルキル鎖が集まった中性ドメインが高次構造(ナノ構造)を形成することである。もちろんドメイン内にも特徴的な構造が存在するので、イオン液体は、単一成分液体であるにもかかわらず、水・油・界面活性剤系のような階層構
造をもつ液体と捉えることもできる。上記の様な基礎科学的興味だけでなく、イオン液体は不揮発性溶媒、電気化学材料、アクチュエーターなどの機能性物質としても大いに注目されている。我々は、このイオン液体の構造とダイナミクスに注
目して、熱測定や中性子散乱の研究を行ってきた[1-8]。講演では、ナノ構造とそれに由来する遅い緩和の話を中心に、これまでの我々の研究を紹介する。
＜参考文献＞[1] O. Yamamuro et al., Chem. Phys. Lett. 423, 371 (2006).
[2] Y. Inamura et al., Physica B 385-386, 732 (2006).
[3] O. Yamamuro et al., AIP Conf. Proc. 832, 73 (2006).
[4] O. Yamamuro et al., J. Chem. Phys. 135, 054508 (2011).
[5] O. Yamamuro et al., J. Phys. Chem. B 116, 10935 (2012).
[6] M. Kofu et al., Soft Matter 8, 7888 (2012).
[7] M. Kofu et al., J. Phys. Chem. B 117, 2773 (2013).
[8] F. Nemoto et al., J. Phys. Chem. B, in press.

42

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■

薄いキラル液晶セルが形成する特異な欠陥構造
福田 順一 (産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門)

液晶が物性科学の研究対象として興味を持たれてきた理由としては、様々な対称性の秩序構造を自己組織的に形成すること、位相欠陥の観察が容易なモデル系となりうること、超伝導体などの他の物理系との理論的アナロジーが考えられることなどが挙げられる。本研究では、自発的にねじれた配向構造を形成するキラル液晶(鏡映対称性の欠如した分子からなる液晶)が、薄い平行平板からなるセル中でどのような秩序構造を形成するかを、数値計算によって議論する。
強いねじれを誘起するキラル液晶は、コレステリックブルー相と呼ばれる、液晶配向の欠陥が 3 次元的に配置した複雑な秩序相をバルクで形成することが知られている[1]。そのようなキラル液晶を薄いセル中に閉じ込めると、バルクのものとは似ても似つかない、欠陥を含む様々な秩序構造が形成されることを見いだした[2]。その中には、近年特にキラル強磁性体でその存在が注目を集めている、渦状の励起構造であるスカーミオンからなるヘキサゴナルな格子も含まれる。時間があれば、そのような秩序構造の光学的性質を計算した試みについても紹介する[3]。
＜参考文献＞[1] D. C. Wright and N. D. Mermin, Rev. Mod. Phys. 61, 385 (1989).
[2] J. Fukuda and S. Žumer, Phys. Rev. Lett. 104, 017801 (2010); Phys. Rev. Lett. 106, 097801 (2011); Nature Commun.
2, 246 (2011).
[3] J. Fukuda and S. Žumer, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 594, 70 (2014).

液晶電気対流を用いたコロイド粒子の芋虫運動
佐々木 裕司 (北海道大学 大学院工学研究院 応用物理学部門)

ネマチック液晶は棒状分子の長軸に長距離の秩序をもった異方的な流体である。このような媒質中にコロイド粒子が置かれた場合、粒子周辺の配向場の乱れによって粒子間に独特な相互作用が現れ、通常の等方性液体を用いたコロイド系とは異なる性質を示す。[1] 最近ではダイナミクスの観点からも関心を集め始めており、その一例として液晶中でのコロイ
ド粒子の交流電気泳動が挙げられる。[2] これは粒子の周りの配向場が非対称に歪むことにより、たとえ球形の粒子であってもその周囲の電気的な性質が非対称になることで運動を可能としている。最近、私たちはこの電気泳動現象に液晶電気対流効果を組み合わせた研究に取り組んでいる。ある閾値以上の電圧を液晶に印可することによって対流が発生させ、流れの中での粒子の運動について詳しく調べた。特に、弾性力によって直線状に繋がったコロイド粒子は、対流の中で切れることなく芋虫のような運動することが観察される。さらに通常の偏光顕微鏡観察に加えて、コロイド鎖が上下に動く様
子を三次元的に観察することを試みた。その結果、対流の流れに加えて、電気泳動の力やガラス界面からの反発力もまた運動のメカニズムに重要な役割を果たしていることが明らかになってきた。[3]＜参考文献＞[1] H. Stark, Phys. Rep., 351, 387, 2001.
[2] O. D. Lavrentovich et al., Nature, 467, 947, 2010: O. D. Lavrentovich, Soft Matter 10, 1264, 2014.
[3] Y. Sasaki et al., Soft Matter, 10, 8813, 2014: Y. Sasaki et al., Langmuir (accepted).

■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

43タンパク質吸着による生体膜の形態変化
野口 博司 (東大物性研)

生体膜に囲まれた様々な形状の細胞内小器官があるが、それらの形状は時々刻々と動的に変化している。これらの形状を決めるメカニズムの解明を目的として研究を行っている。最近、生体膜に吸着するバナナ状の BAR ドメインを持つタ
ンパク質が多く見つかっている。吸着ドメインが曲率を持つため、ドメインに沿って脂質膜を曲げてチューブ状に変形させる。しかし、その形成機構はまだよくわかっていないことが多い。我々は粗視化膜模型を用いたシミュレーションによってこのような曲がった棒による膜変形を研究した。棒同士に直接の引力を与えなくても、膜を介した相互作用で、棒は集合する。しかし、通常の相分離と異なり、この集合は棒の縦と横方向の 2 つの 1 次元の集合に分かれて起こる[1]。また、
これまでの研究では棒に沿った自発曲率のみが考慮されていたが、横方向に弱い自発曲率を加えることでチューブ形成のダイナミクスが大きく変わることが分かった[2]。平衡状態の性質はそれほど変化しないが、集合途中でネットワーク構造が安定化することによってチューブ形成が抑制される。最近、タンパク質の種類によってチューブ状の突起が脂質膜全体から一様に伸びてくるものと一箇所から伸びるものがあることが実験的に報告されている[3]。このようなネットワーク形成が一因である可能性が考えられる。
＜参考文献＞[1] H. Noguchi, EPL 108, 48001 (2014).
[2] H. Noguchi, arXiv:1503.00973 [cond-mat.soft].
[3] Y. Tanaka-Takiguchi, et al. Langmuir 29, 328 (2013).

44

物性研だより第 55 巻第 2 号■■■ ■ ■ ■■