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通过特定刺激合成可以控制蛋白质释放速度的智能超分子水凝胶

本文来自日文版 翻译投稿 张寻

这一期研究特别关注由京都大学工学研究科,合成、生物化学方向,浜地研究室的重光孟(目前担任大阪大学工学研究科,应用化学方向,木田研究室的助教)博士提供。

浜地研究室的文章多次刊载在化学空间,题目涉及蛋白标签、神经递质受体的选择性活化等,研究范围十分广泛。本次浜地研究室所进行的研究,已经有一个成果刊登在了Nature Nanotechnology上,同时新闻媒体也对此进行了报导。

An adaptive supramolecular hydrogel comprising self-sorting double nanofibre networks

Shigemitsu, H.; Fujisaku, T.; Tanaka, W.; Kubota, R.; Minami, S.; Urayama, K.; Hamachi, I. Nat. Nanotechnol. 2018. DOI:10.1038/s41565-017-0026-6

我们从研究室的负责人浜地先生那里,了解了他对于重光博士的评价。

“重光君在大阪大学工学部读完硕士后,在企业工作了一段时间,之后又返回大阪大学宫田研究室读取了博士学位。我读了在他在浜地研究室博士后期间发表的《流动性超分子纤维》(发表于Nature Communications(2010),与田丸君(崇城大学教授)和池田君(岐阜大学教授)合作) 一文,感觉写的非常出色。此后四年,他继续活跃在研究方面,直到去年六月回到了大阪大学担任助教。

在浜地研究室的后半段时间,他负责指导大四的本科生。这篇论文的创作,正是源于他在辛勤指导藤咲君(目前研二)时,两人费尽心血所得到的成果。在回到大阪大学以后,虽然因环境的改变而有些不知所措,但因为掌握CLSM成像和流变学等各种各样的技术和能力,所以在超分子材料方面,他通过发挥自己的才能,取得了新的进展。希望他可以发挥在浜地研究室的所学,在大阪大学继续活跃下去。”

 

Q1本次研究的对象是什么呢?请简要说明一下

本次研究中,我们根据低分子凝胶剂的Self-sorting现象(自我辨识·排除异己),成功研制出了可以双向控制蛋白质释放速度的双网络型超分子水凝胶。

细胞的内部称得上是自然界中最极致的软材料,在其中有无数个独立且精密运行的超分子。可以说,这些超分子的多样性是形成优秀细胞功能的基础之一。我认为,要制造出和细胞一样具有自主的应激性和多功能性的材料,就需要其具有独立的超分子、分子系统。但是在此之前就要解决因各超分子之间相互作用和构造变化而导致的独立性消失问题,以及如何解析多成分体系等等横亘在研究面前的大课题。通过人工超分子合成技术来制造新材料这件事,虽然说起来非常轻松,但是因为研究的巨大难度,目前都是一个未开拓的领域。在本研究中,我们努力探究是否可以将具有两种不同应激性的超分子网络在保持各自功能独立的状态下进行融合,从而形成具有特殊物理性质(双向流变性控制与刺激的顺序识别)。

本次研究的概要以及Self-sorting小分子水凝胶剂(NPmoc-F(CF3)F和Phos-cycC6)的分子构造

Q2关于本次的研究,有没有什么花费了很多工夫和心思的地方呢,请和我们谈谈。

在本次研究中,超分子双网络中的双方能够独自进行应激性反应是极其关键的。我们运用了各种各样的分析方法,努力从微观以及宏观上去详细掌握其应激性反应状况。值得一提的是,在微观角度去解析超分子网络的“激光共聚焦显微镜in situ成像法”是浜地研究室特有的研究手法,在本次试验中发挥了巨大的作用。借此手法,就可以准确且实时地掌握双网络的应激性以及物理性质,从而可以从更深层次去讨论问题。

本实验中使用的可以对双网络进行选择性染色的分子探针(NP-Alexa647和NBD-cycC6)以及它们的激光共聚焦显微镜in situ成像。

Q3研究课题中最困难的是什么呢?最后是怎样克服的呢?

双网络型超分子水凝胶中,因为没办法干扰无法标记的网络,所以找出合适的刺激就有各种各样的困难。而且在研究中发生了很多预想以外的事情,确定事情的原因也非常困难,同时多成分体系的解析难度也是有目共睹的。

如果解决不了这些问题,研究课题可能就完戏了。在那段时间,我们等待凝胶破碎的时机以使用酶进行刺激,但是凝胶不仅没有破碎反而还硬化了。(详情请参照论文《Phos-cycC6网络的应激性》)。当时进行实验的藤咲贵大君(当时是大四)虽然内心很受伤,但是仍然仔细地整理了数据,与大家进行了讨论。在热烈的讨论中,我们提出了一个大胆的设想:我们是否可以利用这个现象呢!以此为契机,我们展开了“可双向强度控制的水凝胶”的研究。

做了大量的实验后,在迅速又认真整理了“不理想数据”的藤咲君以及与集郁闷和烦躁于一身的我不断讨论的洼田助教的帮助下,我们终于突破了难关。另外,论文的修订是非常困难的事情,多亏了田中航君(目前浜地研究室研二)的鼎力相助才得以顺利完成。

Q4将来想要从事哪个化学相关领域的研究呢?

我想我可能会努力创造新的分子和超分子,或者通过分子手段解决能源和医疗问题。即使无法做到这些,我也要努力为解决课题以及科学发展献上自己的绵薄之力。另外,我还想建立一支可以共同钻研化学、开创未来的优秀团队。

Q5最后,有什么想要对各位读者说的吗?

十分感谢诸位阅读我的拙作。如果大家有化学方面的思考,可以和我联系,不用客气。能和大家一起讨论是我的荣幸。

浜地格教授、清中茂树副教授、洼田亮助教、田村朋则助教对于本次研究多次建言,在此表示衷心的感谢。同时十分感谢在实验中与我同甘共苦的藤咲贵大君和田中航君。在动力粘度测定方面,感谢京都工艺纤维大学的浦山健治教授、南沙央理女士对于测定方法和实验结果提出了诸多宝贵建议。另外,在圆二色光谱测定方面,京都大学的长田裕也助教、广濑崇至助教进行了详细指导并且提出了宝贵建议,在此衷心感谢两位的帮忙。非常感谢各位的鼎力支持!最后,对于浜地研究室全体成员致以诚挚的谢意!

 

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