内橋 貴之

うちはし たかゆき
Takayuki Uchihashi
名古屋大学大学院理学研究科
教授
A02

専門分野プローブ顕微鏡・生物物理
公募班(2020-2021)

高速AFMで可視化する外的刺激により誘起される多孔性結晶表面の構造ダイナミクス

キーワード
高速原子間力顕微鏡、金属有機構造体、金属マクロサイクル構造体、構造ダイナミクス、外的刺激
関連する研究者
研究協力者: 細野暢彦(東京大学大学院新領域創成科学研究科、講師)
研究協力者: 田代省平(東京大学大学院理学系研究科、准教授)

研究概要

物質貯蔵材や吸着分離材、不均一系触媒などの多くの応用が期待されている多孔性結晶は、ゲスト分子の吸着や圧力、電場などの外的刺激に応答して結晶構造が柔軟に変化するソフトクリスタルとしての典型的な特徴を有している。外的刺激に応じた結晶構造および物性の変化は、分子内構造や分子間結合などの局所変化とそれにトリガーされる大域的な結晶構造の変化によってもたらされる。外部刺激に応答して結晶表面で生じる局所的な構造・物性変化とその伝搬ダイナミクスを理解することは、多孔性結晶の機能設計や性能向上を図る上で極めて重要であると思われる。本研究では、外的刺激に応答する多孔性結晶表面のナノスケールダイナミクス現象を高速原子間力顕微鏡(AFM)で直接可視化し、I: MMFやMOFなど多孔性結晶へのゲスト分子の吸着と格子歪の結晶表面伝搬の可視化、II: MMF表面での金ナノ粒子の成長過程の追跡、III: 局所力学刺激による格子歪誘起と選択的ゲスト分子の吸着制御の3項目について研究を行い、多孔性結晶の機能設計や性能向上のために基盤的知見を得ることを目的とする。

多孔性結晶の外部刺激に誘起される結晶構造変化
高速AFMによるMOF結晶表面の可視化
公募班(2018-2019)

高速AFMを基盤としたソフトクリスタルの構造物性ダイナミクス評価技術の確立

キーワード
高速原子間力顕微鏡、一分子可視化、ダイナミクス計測、構造イメージング、機械特性、ソフトクリスタル

研究概要

ソフトクリスタルは外部環境の変化や弱い機械刺激に応答して、光学特性や機械特性を柔軟に変化させる。これら刺激に応じたソフトクリスタルの物性変化は分子内構造や分子間結合とそれに伴う集合構造の変化によってもたらされる。直接刺激を受ける結晶表面での構造・物性変化とその表面伝播ダイナミクスを高時空間分解能で計測できれば、ソフトクリスタルの応答初期過程を明らかにでき、機能発現機序の解明に重要な知見を与えるに違いない。本研究代表者はこれまで高速原子間力顕微鏡(HS-AFM)の技術開発と応用研究に携わり、生体分子の構造ダイナミクスをナノスケール分解能で可視化することに成功してきた。また最近では高分子ポリマーや超分子などの人工分子系への応用展開も図っており、高速AFM技術がソフトクリスタルの構造物性ダイナミクスの可視化に有効であると考えられる。本研究では、高速AFMを用いて外部刺激に応答するソフトクリスタルの表面・物性構造のダイナミクスを高時空間分解能で可視化する基盤技術を確立し、ソフトクリスタルの機能創発のナノ機構を明らかにする。

高速AFMによるソフトクリスタル計測の概念図
高速AFMの測定例. (上)タンパク質二次元結晶における単一欠陥の拡散. (下) 配位ポリマーの動態.

研究業績

査読付学術論文

A02-15

  1. "Protein Uptake into Individual Hydrogel Microspheres Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy" S. Matsui, K. Hosho, H. Minato, T. Uchihashi and  D. Suzuki, Chemical Communications, 2019, 55, 10064-10067.
  2. "Non-Thermoresponsive Decanano-sized Domains in Thermoresponsive Hydrogel Microspheres Revealed by Temperature-Controlled High-Speed Atomic Force Microscopy" Y. Nishizawa, S. Matsui, K. Urayama, T. Kureha, M. Shibayama, T. Uchihashi and D. Suzuki, Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 8809-8813.
  3. "Hydrogel Microellipsoids that Form Robust String‐Like Assemblies at the Air/Water Interface" K. Honda, Y. Sazuka, K. Iizuka, S. Matsui, T. Uchihashi, T. Kureha, M. Shibayama, T. Watanabe and  D. Suzuki, Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 7294-7298.
  4. "Construction of a Quadrangular Tetramer and a Cage-Like Hexamer from Three-Helix Bundle-Linked Fusion Proteins" T. Miyamoto, Y. Hayashi, K. Yoshida, H. Watanabe, T. Uchihashi, K. Yonezawa, N. Shimizu, H. Kamikubo, S. Hirota, ACS Synth. Biol., 2019, 85, 1112-1120.
  5. "Microtubule Self-Healing and Defect Creation Investigated by In-Line Force Measurements During High-Speed Atomic Force Microscopy Imaging" C. Ganser and T. Uchihashi, Nanoscale, 2019, 11, 125-135.
  6. "Direct Observation and Manipulation of Supramolecular Polymerization by High-Speed Atomic Force Microscopy" T. Fukui, T. Uchihashi, N. Sasaki, M. Takeuchi, K. Sugiyasu, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 15465-15470.
  7. "Supramolecular Hemoprotein Assembly with a Periodic Structure Showing Heme–Heme Exciton Coupling" K. Oohora, N. Fujimaki, R. Kajihata, H. Watanabe, T. Uchihashi, T. Hayashi, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10145-10148.
  8. "Monitoring Thermo-responsive Morphological Changes in Individual Hydrogel Microspheres" S. Matsui, Y. Nishizawa, T. Uchihashi, D. Suzuki, ACS Omega, 2018, 3, 10836-10842.
  9. "A ring-shaped hemoprotein trimer thermodynamically controlled by the supramolecular heme–heme pocket interaction" K. Oohora, R. Kajihara, N. Fujimaki, T. Uchihashi, T. Hayashi, Chem. Commun., 2019, 55, 1544-1547.

学会賞受賞

A02-15

  • 受賞タイトル:Real-time Nanoscale Visualization of Biological Molecules at Work with High-speed Atomic Force Microscopy, IEEE 3M Nano 2019, Best Conference Paper Award 受賞者:内橋 貴之

関連ウェブサイト
連絡先
uchihast@d.phys.nagoya-u.ac.jp