Matsumoto Kazuya

松本 和也

Kansai University Repository

Design and Applications of IntelligentHydrogels with Controllable MolecularRecognition [論文要旨及び審査の要旨]著者 Matsumoto Kazuyayear 2017-03-31その他のタイトル 分子認識を制御できるインテリジェントゲルの設計と応用学位授与機関 関西大学学位授与番号 34416甲第636号URL http://hdl.handle.net/10112/11288  ［20］ 氏        名 松本まつもと 和也か ず や  博士の専攻分野の名称 学 位 記 番 号           学 位 授 与 の 日 付           学 位 授 与 の 要 件           学 位 論 文 題 目           博士（工学） 理工博第 46 号 平成 29 年 3 月 31 日 学位規則第 4 条第 1 項該当 Design and Applications of Intelligent Hydrogels with Controllable Molecular Recognition 論 文 審 査 委 員           主 査 教 授 宮田 隆志 副 査 教 授 平野 義明 副 査 教  授 岩崎 泰彦    論 文 内 容 の 要 旨   刺激応答性ゲルは、温度や pH などの外部環境変化に応答して体積変化することから、ドラッグデリバリーシステム（DDS）やセンサーシステムなど幅広い分野での応用研究が展開されている。これまでに様々な分子複合体を可逆的架橋点としてゲル内に導入することにより、特定分子を認識して体積変化する刺激応答性ゲル（分子応答性ゲル）が合成されてきた。一方、タンパク質はそのアミノ酸配列に応じて特定の高次構造を形成し、それがタンパク質機能の発現を制御している。たとえば、ある種のタンパク質はその特定部位にエフェクター分子が結合することによりそのコンフォメーションが変化し、特定の分子との結合能を大きく変化させるアロステリック効果を示す。本研究では、二次構造が転移するポリペプチドをゲルの高分子主鎖に利用し、分子応答性ゲルの分子認識制御とその応用を目指した。  第 1 章では、研究の背景と意義を述べ、さらに本論文を理解するための基本的な知識をまとめた。タンパク質の高次構造と機能について述べ、本研究で用いた分子応答性ゲルの基本的設計およびその機能について記した。  第 2 章では、ポリペプチドを高分子主鎖に用いた刺激応答性ゲルの調製とその pH 応答挙動を記した。側鎖にアミノ基を有する poly(L-lysine)（PLL）は、特定の条件下で-ヘリックスを形成し、pH 変化によってランダムコイルへと可逆的に構造転移することが知られている。そこで、PLL の化学架橋により、PLL ゲルを調製した。このゲルは、外部 pH 変化に応答した体積変化挙動を示した。このゲル中の PLL 鎖は塩基性条件下で-ヘリックスを形成し、pH 変化によりランダムコイルへと可逆的に構造転移した。また、架橋によりPLL の-ヘリックスが安定化され、ゲルの構造転移点がシフトすることが明らかとなった。 第 3 章では、リガンド分子を PLL ゲルに導入し、二次構造転移による分子の吸着放出挙動の制御を試みた結果について述べた。まず、内分泌かく乱物質の疑いのある bisphenol A（BPA）が、-cyclodextrin（CD）と 1:2 で包接することを確認した。そこで、PLL にリガンド分子として CD を導入した CD-PLL を合成し、BPA を鋳型とした分子インプリント法により BPA インプリント CD-PLL ゲルを調製した。このゲルは、BPA 存在下では CD とBPA との複合体が形成され、架橋点数が増加することにより収縮した。また、pH 変化により PLL 鎖が構造転移することにより、分子インプリント法により記憶させた分子認識サイトが崩れ、BPA に対する分子認識能が変化した。さらに、分子インプリント法により BPAを固定化させた BPA 内包 CD-PLL ゲルは、pH 変化に応答した PLL の二次構造に依存してBPA を放出した。  第 4 章では、抗酸化物質の放出を制御する薬物固定化ポリペプチドゲルの設計とその薬物放出挙動を記した。抗酸化物質の一種である resveratrol（RSV）は、CD と 1:2 の包接錯体を形成する。そこで、弱酸性条件下で構造転移する poly(L-glutamic acid)（PGA）にリガンドとして CD を導入し、RSV に対する分子インプリント法により、RSV 内包 CD-PGA ゲルを調製した。中性条件下では、分子インプリント法により形成された分子認識サイトにより、CD と RSV の包接錯体が安定化されたため、RSV の放出が抑制された。また、酸性条件下では、PGA 鎖がランダムコイルから-ヘリックスへ構造転移したことにより、CDと RSV の包接錯体が不安定化され、RSV に対する複合体形成能が低下したため、CD-PGAゲルは RSV を放出した。  第 5 章では、標的分子を高感度かつ高選択性で検出できる分子インプリントゲル薄膜の設計について述べた。水晶振動子マイクロバランス（QCM）チップ上に BPA インプリント CD-PLL ゲル薄膜を調製した。調製したインプリントゲル薄膜は、ノンインプリントゲル薄膜に比較して 3 倍以上も高感度に BPA を検出できた。さらに、分子インプリント法により形成された BPA 認識サイトは、分子構造のわずかな差異も認識できることが明らかとなった。  第 6 章では、標的分子に応答して二次構造が転移する BPA インプリント CD-PGA ゲルおよび BPA インプリント CD-PLL ゲルの設計とその応答挙動を記した。BPA インプリントCD-PGA ゲルは、架橋密度が小さかったため、構造転移点はシフトしなかった。一方、BPAインプリント CD-PLL ゲルは、BPA 存在下での分子複合体の形成により、PLL の-ヘリックスが維持されやすくなり、ゲルの構造転移点のシフトが確認された。さらに、BPA インプリント CD-PGA ゲルは BPA を認識すると、-ヘリックスへ構造転移することも明らかになった。  第 7 章では、本論文の総括を述べた。分子インプリントゲルの高分子主鎖に二次構造が転移するポリペプチドを用いることにより、分子インプリントゲルはポリペプチドの二次構造に依存した分子吸着挙動を示すことが明らかとなった。また、抗酸化物質を分子インプリン法により内包することにより、構造転移により薬物を放出する DDS キャリアとして応用できることが示された。さらに、QCM チップ上に調製された分子インプリントゲル薄膜は、標的分子を高感度かつ高選択性で検出できるため、診断・分析システムとして医療・環境分野に貢献することが期待できる。したがって、標的分子に応答して構造転移を誘起できるゲルは、新たなバイオインスパイア－ド材料として期待できる。    論 文 審 査 結 果 の 要 旨   タンパク質はアミノ酸配列に応じて特定の高次構造を形成し、それがタンパク質機能の発現を制御している。たとえば、ある種のタンパク質はその特定部位にエフェクター分子が結合することによりそのコンフォメーションが変化し、特定の分子との結合能を大きく変化させるアロステリック効果を示す。本論文では、二次構造が転移するポリペプチドをハイドロゲルの高分子主鎖に用いることにより、アロステリックタンパク質を模倣した材料の設計を試みるとともに、その DDS やセンサーなどの応用を目指した。具体的には、分子インプリント法により、ゲルネットワーク内に分子認識サイトを有する分子インプリントポリペプチドゲルの合成に成功し、構造転移による分子認識能の制御に成功した。さらに、熱力学的に安定なゲルを合成することにより、標的分子の結合による構造転移の誘起を人工材料で初めて実現した。構造転移による分子認識を制御できるシステムを活用し、抗酸化物質を内包したポリペプチドゲルを合成し、その構造転移に起因した薬物放出挙動を示した。また、センサーチップ上に調製した分子インプリントポリペプチドゲル薄膜は、標的分子の存在を高感度かつ高選択性で検出した。以上のように、アロステリックタンパク質に倣って分子インプリントポリペプチドゲルを分子設計し、その分子認識能を構造転移により制御することに成功した。また、薬物輸送システムや診断・分析システムへの応用法の確立は、医療技術の進歩に大きく貢献できる成果であり、本研究は高分子化学、生体材料学の見地からの学術的価値も極めて高いと言える。さらに、これらの研究成果は、査読有り論文 3 報、国際学会発表 13 件、国内学会発表 21 件として公表されており、国内外においても高く評価されている。   よって、本論文は博士論文として価値あるものと認める。  

分子認識を制御できるインテリジェントゲルの設計と応用

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分子認識を制御できるインテリジェントゲルの設計と応用

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