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キーワード：
バイオナノプロセス/ナノテクノロジー/機能性材料/蛋白質/ブロック構造/ナノレゴ/ナノ粒子/フェリチンタンパク質/ナノ構造蛋白質/テトラポッド型超分子構造体/人工ペプチド/人工タンパク質/ペプチド・アプタマー/合成ペプチド/ナノバインダー/ペプチド/DNA/RNA分子/シリコン薄膜/静電/自己組織化/ナノリアクター/カーボンナノチューブ/ゆらぎ
刊行にあたって
最近の科学の発展には目を見張るものがある。とりわけここ3世紀の発展は急速で,それまでの人類に比べて格段の知識と力の獲得が進んだ。物質科学の分野では物理,化学の知見が広く深く探索され,その成果は蓄積されて応用が進んできた。物理学ではすでに20世紀初頭にその研究フロンティアは原子に到達し,さらに原子構造の理論的考察も進み,原子力の応用が予言され実用化された。近年の産業の重要材料である鉄では,その構造,組成改良がすすみ,現在ではこれまでとは桁違いの高張力鋼や高耐食性を持った鋼が開発されている。さらには,半導体デバイスでは物質科学の成果が結実し,驚異的な工業的成功を収めている。そこでは,これまで約半世紀にわたって,約2年で性能が倍になるという高性能化が続けられてきた。この半導体デバイスの高性能化の源は微細加工技術による素子の小型化であり,小型化が高速動作,超高密度を実現している。その結果,今では半導体デバイス1つのチップに40nmの最小加工単位で作られた1億個を超えるトランジスタが作られ,それらが数GHzで動作するようになっている。このドラスティックな高性能化により,今日,高度な情報化が実現され,豊かで安心・快適な社会が実現されている。
一方,生物学はスタートでは出遅れたが,1950年代のDNAの発見により,それまで全く原因物質が分かっていなかった遺伝の情報を運ぶ実体が明らかになり,これにより分子生物学が生まれ,生命を操作することも可能になってきた。この発見は生物学を急速に発展させた。生物の極めて多様な形態や,巧妙な能力が,DNAにコードされたナノメータサイズのバイオ物質をくみ上げることで実現されていることが明らかになった。その結果生命の根源的物資であるナノメートルサイズのタンパク質や糖鎖,核酸が日常的に取り扱われるようになってきた。またその研究から,細胞は,タンパク質集合体やリン脂質膜,糖鎖,核酸という生体超分子から構成され,高度な機能はこの生体超分子のコンビネーションで実現されていることが分かり,生物は巨大なナノマシンの集合体ととらえられるようになってきた。
そしてこの二つの領域は,今世紀に入って必然の結果としてナノ領域で出会うことになった。すなわち,半導体加工技術を筆頭とするナノ加工を目指したトップダウン加工方法と,もともとサブナノメートルであるバイオ分子・有機分子を中心としたボトムアップ技術が融合するのは,必然であった。その結果,バイオ分子を用いてトップダウン加工で作られた構造にナノ構造を作る「バイオナノプロセス」という大きな研究領域が生まれつつあるといえる。この生物学と,物理学,化学が融合し,さらには情報工学とも融合する全く新しい分野の出現が始まろうとしている。この本がその魁となり,この新しい研究分野に関心を持つ研究者に新鮮な刺激を与えられることを切に願っている。
(「はじめに」より)
2008年3月 監修 山下一郎
著者一覧
山下一郎 松下電器産業㈱;奈良先端科学技術 大学院大学;(独)科学技術振興機構 芝 清隆 (財)癌研究会癌研究所;(独)科学技術 振興機構 河村秀樹 (財)癌研究会癌研究所;㈱村田製作所 三浦篤志 奈良先端科学技術大学院大学 金丸周司 東京工業大学 鈴木治和 (独)理化学研究所 臼井健悟 (独)科学技術振興機構;(独)理化学研究所 林崎良英 (独)理化学研究所 岩堀健治 (独)科学技術振興機構 安部 聡 名古屋大学 上野隆史 名古屋大学;(独)科学技術振興機構 小林未明 奈良先端科学技術大学院大学; (独)科学技術振興機構 塚本里加子 奈良先端科学技術大学院大学; (独)科学技術振興機構 杉本健二 奈良先端科学技術大学院大学; (独)科学技術振興機構 柏木健司 (財)癌研究会癌研究所;(独)科学技術 振興機構 佐野健一 (財)癌研究会癌研究所;(独)科学技術 振興機構 梅津光央 東北大学 芹澤 武 東京大学;(独)科学技術振興機構 松野寿生 東京大学 松浦和則 九州大学;(独)科学技術振興機構 髙谷 光 大阪大学(現:京都大学);(独)科学技術 振興機構 磯崎勝弘 大阪大学;(独)物質・材料研究機構 芳賀祐輔 大阪大学 上杉 隆 大阪大学 中谷昭彦 大阪大学 直田 健 大阪大学 村田 智 東京工業大学 齊藤博英 京都大学;(独)科学技術振興機構 井上 丹 京都大学;(独)科学技術振興機構 | 佐々木善浩 奈良先端科学技術大学院大学 (現:東京医科歯科大学) 田文杰 大連民族学院 菊池純一 奈良先端科学技術大学院大学 浦岡行治 奈良先端科学技術大学院大学 桐村浩哉 奈良先端科学技術大学院大学 冬木 隆 奈良先端科学技術大学院大学 熊谷慎也 松下電器産業㈱ 吉井重雄 松下電器産業㈱ 寒川誠二 東北大学 鈴木直毅 大阪大学;(独)科学技術振興機構 安立京一 大阪大学;(独)科学技術振興機構 李奉局 大阪大学;(独)科学技術振興機構 川合知二 大阪大学;(独)科学技術振興機構 一木隆範 東京大学 マニッシュ・ビヤニ 東京大学 根本直人 ジェナシス㈱;埼玉大学(2008年4月1日より) 松尾保孝 北海道大学 居城邦治 北海道大学 田畑 仁 東京大学 松井 宏 ニューヨーク市立大学 松村幸子 (財)癌研究会癌研究所;(独)科学技術 振興機構 湯田坂雅子 NEC基礎・環境研究所;(独)科学技術 振興機構 飯島澄男 名城大学;(独)科学技術振興機構 南野 徹 大阪大学;(独)科学技術振興機構 難波啓一 大阪大学;(独)科学技術振興機構 北野宏明 特定非営利活動法人システム・ バイオロジー研究機構;㈱ソニー コンピュータサイエンス研究所 木賀大介 東京工業大学 上田昌宏 大阪大学;(独)科学技術振興機構 高木拓明 大阪大学;奈良県立医科大学 新井由之 大阪大学 冨樫祐一 大阪大学 柳田敏雄 大阪大学 |
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第1章 バイオナノプロセスとは
1 ナノテクノロジー時代
2 バイオナノプロセス
第2章 バイオナノプロセスをめぐる世界の動き
1 はじめに
2 機能性材料合成のためのバイオナノプロセス
2.1 天然のタンパク質,微生物を人為的環境下に置く方法
2.2 人工分子,人工ペプチドを用いる方法
2.3 バイオミネラルの形状を活かした利用
2.4 今後のバイオナノプロセスによる機能性材料合成
3 デバイスファブリケーションのためのバイオナノプロセス
3.1 GroELを用いたフラッシュメモリ作製
3.2 植物ウイルスを用いたメモリデバイス開発
3.3 バクテリアウイルスを用いたリチウム電池開発
3.4 フェリチンを用いた研究
4 おわりに
第II編 バイオナノプロセスを支える要素技術
第3章 イントロ:自己組織化ナノブロックとしての生体高分子
第4章 蛋白質に見いだすナノブロック構造
1 はじめに
2 ウイルスキャプシド蛋白質
3 筒状蛋白質・リング状蛋白質
3.1 タバコモザイクウィルス
3.2 繊維状ファージ
3.3 ファージテイル
4 ポリペプチド鎖が繰り返し配列を持つ蛋白質
4.1 1本鎖βヘリックス
4.2 3本鎖βヘリックス
第5章 ナノレゴプロジェクト
1 「ナノレゴ」の基本概念
2 ナノレゴの基礎実験
2.1 ナノレゴ素子拡充の試み
2.2 接着素子の解析
2.3 ナノレゴ設計のための基礎実験
2.4 生体超分子における安定複合体形成のメカニズム解明
3 ナノレゴの新規概念
4 ナノレゴによる線状構造体の形成
5 ロック付接着素子を用いたナノレゴ線状構造体
6 ナノレゴ研究の今後
第6章 球殻状ナノブロックとしてのフェリチン分子を用いたナノ粒子作製
1 はじめに
2 タンパク質超分子とバイオテンプレート
2.1 バイオの世界とタンパク質超分子
2.2 バイオテンプレート法によるナノ粒子作製の歴史
3 アポフェリチンタンパク質を用いたナノ粒子作製
3.1 フェリチンタンパク質
3.2 フェリチンタンパク質の自己組織化能とバイオミネラリゼーション能
3.3 アポフェリチンタンパク質による酸化物ナノ粒子の作製
3.4 アポフェリチンタンパク質による化合物半導体ナノ粒子の作製
4 リステリア細菌由来Dpsタンパク質を用いたナノ粒子作製
5 バイオミネラリゼーションのメカニズム
6 まとめ
第7章 ナノ構造蛋白質の内部空間利用
1 はじめに
2 ナノ構造蛋白質
3 ナノ構造蛋白質内部での金属微粒子の合成
4 ナノ構造蛋白質の内部空間利用
4.1 医療材料への応用
4.2 触媒反応への利用
5 まとめ
第8章 筒状ナノブロックとしてのTMVとテトラポッド型超分子構造体
1 TMVを用いたナノワイヤの合成
2 テトラポッド型超分子構造体
3 基板上へのナノワイヤ,テトラポッド型超分子構造体の選択的配置,配列化と電子デバイスへの応用
第9章 人工ペプチド・タンパク質進化実験
1 ナノテクノロジーと人工タンパク質
2 進化分子工学
3 ファージ提示法
4 細胞表層提示法
5 in vitro提示法
6 ライブラリ作製
7 ライブラリの多様性とブロックシャッフリング
8 人工タンパク質創出系MolCraft
9 おわりに
第10章 無機材料を標的にしたペプチド・アプタマーの異種界面形成
1 はじめに
2 無機材料を標的にしたペプチド・アプタマー
3 ペプチド・アプタマーと無機材料の異種界面形成
4 TBP-1とチタン表面の異種界面形成
5 無機材料結合ペプチドに偏在するアミノ酸種
6 ペプチド・アプタマーの多機能性
7 ペプチド・アプタマーのナノテクノロジー領域への応用
8 おわりに
第11章 セラミックス結合・合成ペプチド
1 ミネラル成分を鉱物化する生体分子
2 生体内からの同定・抽出
3 分子進化工学的技法を用いた非天然ペプチドの創出
4 酸化亜鉛結合性ペプチドの選択と応用
第12章 ナノバインダーとしての高分子結合性ペプチド
1 はじめに
2 ポリメタクリル酸メチル(PMMA)結合性ペプチドの探索
3 合成ペプチドによる結合実験
4 必須ペプチドモチーフの決定
5 その他の高分子ターゲット
6 おわりに
第13章 ペプチドの自己集合によるナノ構造の構築
1 はじめに
2 両親媒性ペプチド
3 βシート形成ペプチド
4 コイルドコイル形成ペプチド
5 オリゴペプチド
6 三回対称性ペプチドコンジュゲート
7 おわりに
第14章 メタル化ペプチドを用いる金属の精密集積制御～組成・配列・空間配置制御と機能開拓～
1 はじめに
2 錯体化学的手法による金属集積化
3 メタル化アミノ酸およびメタル化ペプチドの開発
4 メタル化ペプチドの超音波ゲル化と金属集積制御
5 異種金属集積型ペプチドの開発と機能開拓
6 まとめ
第15章 DNAタイルのセルフアセンブリ
1 はじめに
2 材料としてのDNA分子
3 粘着末端と枝分かれ構造
4 DNAタイル
5 アルゴリズミックなセルフアセンブリ
6 まとめと展望
第16章 ナノブロックとしてのRNA分子
1 はじめに
2 RNAの構造
3 ナノブロックとしてのRNA
4 ナノブロックRNAの応用分野
4.1 Synthetic biologyにおけるRNA
4.2 NanotechnologyにおけるRNA
5 RNA/RNPの分子デザインと試験管内進化
5.1 人工RNAのデザインと創成
5.2 人工RNPのデザインと創成
6 RNA/RNPブロックを利用した分子デザインの展望
第17章 脂質膜の自己組織化能を利用する分子デバイス作製
1 はじめに
2 脂質膜基板の作製と分子素子の組織化
3 脂質膜型分子デバイスの機能
4 おわりに
第III編 バイオナノプロセスによるデバイス作製
第18章 イントロ:トゥルーナノテクノロジーとしてのバイオナノプロセス
第19章 バイオナノプロセスで作るフローティングゲートメモリ
1 はじめに
2 ナノドットを利用した不揮発性フラッシュメモリ
3 バイオナノドットフローティングゲート型メモリの作製と電気特性評価
4 おわりに
第20章 フェリチンタンパクを利用したシリコン薄膜の結晶化法
1 はじめに
2 フェリチンタンパクを用いた結晶化法
2.1 フェリチンタンパクとは
2.2 フェリチンタンパク質の吸着密度制御
2.3 熱処理によるSi多結晶膜の固相成長
3 形成されたSi多結晶膜の結晶性
3.1 XRDによる評価結果
3.2 後方散乱電子回折(EBSD)法による結晶粒径の評価結果
4 パルスアニールによる短時間作製
5 まとめ
第21章 ナノ粒子の静電配置
1 はじめに
2 静電相互作用を利用した選択配置
3 吸着挙動の解析
3.1 解析の流れ
3.2 相互作用ポテンシャル分布
3.3 相互作用ポテンシャル分布における各構成項の働き
4 単一フェリチン分子選択配置
5 おわりに
第22章 ナノエッチング技術
1 序論
2 プラズマエッチングプロセスの課題
3 無損傷・量子構造の形成
4 量子ナノディスク構造による量子効果発現
5 まとめ
第23章 プログラム自己組織化によるナノ材料・デバイスの創製
1 はじめに
2 シーケンシャル自己組織化
2.1 自己組織化配線法
2.2 DNAを用いたナノ分子デバイス
3 生体分子の自己組織化的ナノアレイ化
4 トップダウン/ボトムアップ融合による遷移金属酸化物薄膜の大面積ナノ加工
4.1 機能性遷移金属酸化物を用いた赤外線センサ
4.2 NIL-モリブデン・リフトオフ法
5 おわりに
第24章 酵素分子の高速人工進化のためのナノバイオセンシング
1 はじめに
2 セルアレイ型分子進化リアクターの原理・構成
3 ビーズを担体として用いるラベル化タンパク質分子のアレイ化配置技術
4 「DNA—Proteinチップ」法によるラベル化タンパク質分子のアレイ化配置技術
5 蛍光アッセイによる酵素活性スクリーニングシステム
6 おわりに
第25章 BioLBL法によるin aquaでの高次ナノ構造形成
1 はじめに
2 交互積層法Layer-By-Layer
3 BioLBL法～Biomimetic Layer-By-Layer Assembly
4 DP-BioLBL
5 将来展望
第26章 DNA—金属デバイス
1 ボトムアップ型ナノテクノロジーとDNA
2 電子回路作製のための材料として見たDNAの特徴・利点
3 自己組織化によるナノ配線
4 単一DNA分子の自己組織化的伸長固定化
5 DNAの金属化による導電性ナノ配線の作製
6 まとめ
第27章 DNAネットワークによるナノパターニング
1 概要
2 DNAエレクトロニクス
3 DNA自己組織化利用ナノパターン形成—ボトムアップナノテクノロジー—
3.1 DNA分子を鋳型とじたナノ構造制御(プログラム自己組織化パターニング)
3.2 ナノ構造形成メカニズム
3.3 プリンタブルエレクトロニクス
4 DNAナノテクノロジー
4.1 DNA分子の電子状態
4.2 DNAネットワークの機能化:蛍光分子ドープによる光スイッチ
5 まとめ
第28章 ペプチドナノリアクター～ペプチドナノリアクターを用いた生物擬態的な室温での物質合成とそのナノリアクターの基板上における選択的配置～
1 はじめに
2 環状ペプチドをナノリアクターとして用いた正方晶系BaTiO3ナノ粒子の室温合成
3 環状ペプチドをナノリアクターとして用いたβ-Ga2O3半導体ナノ粒子の室温合成
4 基板上における環状ペプチドの特定の位置への自己集合的アッセンブリー法
5 おわりに
第29章 カーボンナノチューブでつくるメディカル・デバイス
1 はじめに
2 カーボンナノチューブの特性と水との相性
3 カーボンナノチューブの水中分散化
4 ドラッグ・デリバリー・システム(DDS)とは
5 キャリアの大きさとEPR効果
6 いろいろな物質のキャリアとして用いられるカーボンナノチューブ
7 カーボンナノホーンをDDSキャリアとして使う
8 カーボンナノチューブを用いたバイオセンサ
9 おわりに
第IV編 これからのバイオナノプロセス
第30章 イントロ:生物に学ぶ高次自己組織化
第31章 自己組織化体としての生体超分子
1 はじめに
2 べん毛の構築制御
3 べん毛蛋白質輸送装置
4 べん毛蛋白質輸送の分子機構
5 べん毛繊維の自己構築
6 繊維やフックの長さを決める仕組み
7 おわりに
第32章 生物学的ネットワークと自己組織化
1 はじめに
2 生物学的ネットワークの大域構造
3 進化可能で、ロバストなシステムのアーキテクチュア
4 モジュールのロバストネス
5 アーキテクチュア
6 ロバストネスと脆弱性のトレードオフ
7 自己拡張共生ネットワーク
8 おわりに
第33章 合成生物学とバイオナノプロセス
1 はじめに
2 生物の階層性および,AnalysisとSynthesis
3 生体高分子を組み合わせる
4 細胞内に遺伝子を組み合わせるためには制御関係の作り込みが必要となる
5 試験管内で生体高分子を組み合わせる
6 今後のバイオナノプロセスと合成生物学
第34章 細胞における確率的情報処理の解明に向けて
1 はじめに
2 コンピュータと生物情報処理システムの動作状況における根本的差異
3 情報分子の構造多型性
4 細胞における情報分子の反応速度論的多状態性
5 細胞内情報処理システムにおけるノイズ生成・処理・伝搬の理論
6 おわりに
第35章 生物に学ぶナノデバイスの設計思想～ゆらぎの排除から利用へ～
1 従来のナノデバイス—ゆらぎを排除する思想
2 ケーススタディ—ゆらぎの下で動く分子モーター
3 1分子実験—分子モーターの動作原理に迫る
4 ゆらぎを利用するための構造
5 集積化—ゆらぎを利用するシステムへ
6 おわりに
AI・ナノ・量子による超高感度・迅速バイオセンシング
価格(税込)： 72,600 円
エレクトロスプレー/スピニング法とその応用
価格(税込)： 62,700 円
高分子微粒子の最新技術動向
価格(税込)： 58,300 円
