ナノ電子デバイスならびに ナノ医療を指向した 金ナノ粒子の合成

龍谷大学 理工学部 物質化学科

准教授 富崎 欣也

龍谷大学・明治大学 新技術説明会

2011年11月29日（火）

2

http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/nan/nan00/index.html

物質のスケールとナノテクノロジー NEDOホームページより

生体の階層構造：ボトムアップ法のお手本

生きものは一定の階層構造のもとにできており、それに伴う規則性がある。

階層性：器官→組織→細胞→オルガネラ→機能性分子集合体→生体(高)分子

生体(高)分子：タンパク質、核酸、多糖類、脂質、色素等

ということは、

生物機能に学び生体(高)分子をうまくデザインすれば、

ボトムアップ的に、革新的な未来材料 創 製 が 可 能

ナノバイオテクノロジーの展開

3 （出典）ヴォート生化学

磁性細菌の電子顕微鏡写真。脂質二分子膜で覆われた磁気微粒子（マグネタイト）が直鎖状に並んでいる（Mamなど）。

http://pronet.s.kanazawa-u.ac.jp/j/jisei.html

珪藻はケイ素（Si）を主成分とする美しい構造の細胞壁を作る（Silaffinなど）。

Armbrust et al. Science 2004, 306, 79-86.

タンパク質等の有機分子が結晶間の接着剤および構造制御剤として働く。 革新的材料創製の参考になる。

貝の真珠層は炭酸カルシウムと生体高分子が積層した構造をしており、入射光の多層反射により独特の光沢を示す（Nacreinなど）。

http://park.ecc.u-

tokyo.ac.jp/katotakashi/res_bmn.html

4

自然界の有機ー無機複合材料 合成原理を利用する材料創製

キーワード ＝ タンパク質、しかし複雑

アメリカザリガニ外殻は炭酸カルシウムと生体高分子が積層した構造をしており、軽くて堅い（CAP-1など）。

Kato et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2876-2879.

ペプチドを基体とする材料化学

5

進化の過程で生物が獲得した原理原則を理解し、産業応用すること ●ペプチドを使う利点●

ボトムアップ

1. タンパク質より分子量が小さく、扱いやすい。

2. 化学合成により、大量調製が可能。

3. 非天然アミノ酸を位置特異的に導入可能。

4. a-へリックスやb-シート等の二次構造を形

成可能。

5. 線維状あるいは粒状の集合体を形成可能。

6. 乾燥や酸化に対して比較的安定。

6

タンパク質の二次構造

a-へリックス構造 逆平行b-シート構造

0.54 nm/pitch

0.7 nm/pitch

（出典）ヴォート生化学 （出典）ヴォート生化学

右巻きらせん

3.6残基/1回転

i番目のカルボニルと

i+4番目のアミドプロトンの

間で水素結合

希望する官能基を希望する間隔で、希望する方向へ空間配置できる。

アミロイド線維形成

7

Tycko Biochemistry 2003, 42, 3151-3159.

TEM images of amyloid fibrils formed by the

40-residue b-amyloid peptide associated with

Alzheimer’s disease (Ab1-40, DAEFRHDSGY

EVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVV).

ビルディングブロック ＝ b-ストランドペプチド

たとえば、金ナノ粒子の利用を考える

球状金ナノ粒子

金ナノロッド

アスペクト比を変化させることで、 光学特性をチューニング可能 ナノ医療分野の開拓

近赤外光 熱変特性 フォトサーマル治療に 応用

近赤外領域に吸収をもつ Danielle K. Smith, Nathan R. Miller and Brian A. Korgel Langmuir, 2009, 25 (16), pp 9518–9524 8

520 nmにプラズモン共鳴に基づく吸収

現在、バイオイメージングに応用 金属粒子の精密配列化 ナノ電子デバイス分野の開拓

現行の金ナノ粒子合成法

金ナノロッドの合成には、カチオン性界面活性剤CTABの利用が一般的。

問題点 CTABは細胞毒性あり。 合成反応が多段階

標的細胞へのシグナル ペプチド付加

Ahmed and Narain Langmuir 2010, 26, 18392-18399.

CTAB除去

9

ペプチドを鋳型とする金ナノ粒子合成法

• 短工程で、金ナノ粒子の合成とペプチドによる被覆が可能

• 鋳型ペプチドに、標的細胞へのシグナルを結合可能

ペプチド集合体を鋳型とする金ナノ粒子の合成を検討 10

+

自己集合化による金の局所濃度上昇

還元

ペプチド 塩化金酸

b-シート性ペプチドの利用

Ac-Ala-Ile-Ala-Lys-Ala-Nal(2)-Lys-Ile-Ala-

NH2

疎水性

親水性

両親媒性

アミノ酸9残基と短く、合成が容易。 疎水性アミノ酸にイソロイシンとナフチルアラニンを配置。 b-シート構造をとったとき両親媒性となり安定化。 金と結合させるためリシンを配置(Au-N)。

11

ペプチド集合体の構造評価１

[Peptide] = 50 µM in H2O

TEM (STAIN) AFM

Scale bar = 50 nm

12

µM

nm

80-100 nm

~2 nm

ディスク状の集合体を形成

金ナノ粒子の合成

① 金ナノ粒子の作製

② ペプチド集合体表面にて塩化金酸を還元

③ ペプチドモノマー存在下に塩化金酸を還元し集合化

④ ペプチドモノマー存在下に塩化金酸を加えて集合化し還元

＝ペプチドモノマー

＝塩化金酸

＝金ナノ粒子

＝ペプチド集合体

+

+

+

[Peptide] = 50 µM

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM in water

13

還元

還元

還元

還元

？

？

？

？

方法① バルク溶媒中にて金ナノ粒子合成

電子透過型顕微鏡(TEM)による観察

金ナノ粒子径は、1~4 nm

還元

スケールバー＝10 nm

14

＝ 塩化金酸

＝ 金ナノ粒子

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM

in water

No stain

方法② ペプチド集合体表面にて金ナノ粒子合成

スケールバー=20 nm

Stained

スケールバー=10 nm

Stained

+ 還元

金ナノ粒子は、7~20 nm

電子透過型顕微鏡(TEM)による観察

Abs.

Wavelength (nm)

15

[Peptide] = 50 µM

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM

in water

方法③ ペプチドモノマー存在下にて金ナノ粒子合成

7日後

+ 還元

金ナノ粒子は5~25 nm

スケールバー＝20 nm

Stained

電子透過型顕微鏡(TEM)による観察

Wavelength (nm)

Abs.

16

スケールバー＝20 nm

Stained

7日後

[Peptide] = 50 µM

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM

in water

方法④ ペプチド集合体内部にて金ナノ粒子合成

電子透過型顕微鏡(TEM)による観察

+ 7日後還元

スケールバー＝50 nm

Stained スケールバー＝20 nm

Stained

金ナノ粒子は、20~350 nm アスペクト比＝1.5から10程度

Wavelength (nm)

Abs.

17

自己集合化

[Peptide] = 50 µM

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM

in water

原子間力顕微鏡(AFM)観察２

+ 7日後還元 自己集合化

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④ペプチドモノマー存在下に塩化金酸を加えて集合化し還元

①金ナノ粒子の作製

②ペプチド集合体表面にて塩化金酸を還元

③ペプチドモノマー存在下に塩化金酸を還元し 集合化

④ペプチドモノマー存在下に塩化金酸を加えて集合化し還元

＝ペプチドモノマー

＝塩化金酸

＝金ナノ粒子

＝ペプチド集合体

+

+

+

[Peptide] = 50 µM

[HAuCl4] = 50 µM

[NaBH3CN] = 100 µM in water

19

還元

還元

還元

還元

ペプチドを鋳型とする金ナノ粒子合成のまとめ

発表のまとめと実用化に向けた課題

• 現在、ペプイド集合体を鋳型とする金ナノリボン合成が可能なところまで開発済み。しかし、金属ナノ粒子の形態制御・均一化が未解決である。

• 今後、合成条件やペプチド配列について実験データを取得し、金属ナノ粒子の形態制御・均一化に適用していく。

企業への期待

• 未解決のナノ粒子形態均一化については、反応条件およびペプチドライブラリ利用により克服できると考えている。

• 細胞を用いるアッセイ技術をもつ、製薬系企業との共同研究を希望。

• 金属ナノ粒子に興味のある、フォトニクス系企業との共同研究を希望。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：金属ナノロッド複合体

およびその製造方法

• 出願番号 ：特願2011-51229

• 出願人 ：龍谷大学

• 発明者 ：富崎欣也

お問い合わせ先

龍谷大学 知的財産センター

知的財産アドバイザー 櫻井 雄三

ＴＥＬ 077－ 543 － 7823

ＦＡＸ 077－ 544 － 7263

e-mail chizai@ad.ryukoku.ac.jp