人工の細胞「膜」を自在に操る

濵田研究室　HAMADA Laboratory
准教授：濵田 勉（Hamada Tsutomu）

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［研究分野］
ソフトマター物理、生物物理
［キーワード］
人工細胞膜、リポソーム、コロイド、分子集合体、ソフト界面

研究を始めるのに必要な知識・能力

リポソームの実験に興味を持って楽しく取り組めること、物理・化学の基本的な知識があることが望ましいです。

この研究で身につく能力

1. 人工細胞膜の実験技術
2. ソフトマターの物理化学に関する知識
3. 光学種顕微境を主とする分析装置の取り扱い技術
4. 英語の学術論文を読み書きする力
5. 学会発表や修士・博士論文などで成果を表現する力

【就職先企業・職種】 化粧品、食品、化学、機械、バイオ研究開発など

研究内容

図：膜融合の光制御 (Langmuir 2017)。

両親媒性ソフトマターである脂質分子は、自己集合して膜を形成します。脂質膜は、2次元膜面内での相分離や、3次元空間でのベシクル変形などの多様な物理現象を示し、その構造は弾性エネルギーにより支配されます。生体細胞は、この脂質膜を器・界面として利用しています。ミトコンドリア・小胞体のような複雑な構造体を形成したり、膜の融合・分裂などのダイナミックな動きが物質輸送を行っています。また、脂質膜小胞は、ドラッグデリバリーや化粧品などの材料としての応用開発も進められています。 私たちは、人工的に作製したマイクロメートルサイズの膜小胞（人工細胞膜、リポソーム、脂質ベシクル等と呼ばれる）を用いた実験により、膜の新奇現象を発見し、膜の新たな可能性を表現することを目的に研究を進めています。様々な膜の形や動きを創り出し、物理化学的な解析を使って、膜の世界を探求します。

1．光コントロール

光応答性分子を膜に導入することで、膜の融合、相分離の生成・消滅、小胞の開閉（細胞のオートファジーに類似した動き）、膜の出芽（細胞のエンドサイト－シスに類似した動き）を光で制御できることを示しています。ナノメートル領域の膜分子の反応を、マイクロメートル領域の膜ダイナミクスに変換する機能システムを、膜の物性に基づき設計しています。

2．コロイドとの相互作用

膜とコロイド粒子の複合ソフトマターの秩序形成の実験を行っています。相分離した膜にコロイドを加えると、小さいサイズの粒子は秩序相へ、大きなサイズの粒子は無秩序相に分配されることを発見しています。また、膜への吸着度合いに依存して粒子の拡散係数が変化することや、膜に張力を加えることで吸着した粒子が膜を透過することを見出しています。

3．力学応答

浸透圧による伸展張力を膜に加えると、膜の相分離が誘起されることを発見しています。圧力が大きくなると、相分離ドメインが液体相から固体相へと変化します。

主な研究業績

1. "Molecular behavior of DNA in a cell-sized compartment coated by lipids" T. Hamada, et al., Phys. Rev. E, 91, 062717 (2015).
2. “Photo-induced fusion of lipid bilayer membranes” Y. Suzuki, et al., Langmuir, 33, 2671 (2017).
3. “Lateral diffusion of a submicron particle on a lipid bilayer membrane” K. Shigyou, et al., Langmuir, 32, 13771 (2016).

使用装置

共焦点レーザー顕微鏡
蛍光・位相差・微分干渉顕微境
マイクロマニピュレーション
光（レーザー）ピンセット