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バイオナノプロセス
―溶液中でナノ構造を作るウェット・ナノテクノロジーの薦め―
BioNanoProcess
―Introduction to Wet-Nanotechnology:in aqua Organization of Nano-Structures―
[コードNo.2008T610]

■監修/ 山下一郎芝清隆
■体裁/ B5判 358ページ
■発行/ 2008年 3月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 75,600円(税込価格)

第I編:バイオナノプロセスとナノテクノロジーの概要を解説!
第II編:バイオナノプロセスを支える要素技術を解説!
第III編:デバイス開発を目指したバイオナノプロセス研究の状況を紹介!
第IV編:自己組織化をうまく利用したバイオナノプロセスの最先端研究を紹介!

※ 本書籍はご試読頂けません ※

刊行のねらい
 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
芝清隆

執筆者一覧
山下一郎松下電器産業(株) 先端技術研究所 主幹研究員
奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 メゾスコピック物質科学講座 客員教授
(独)科学技術振興機構 CREST
芝清隆(財)癌研究会癌研究所 蛋白創製研究部 部長
(独)科学技術振興機構 CREST
河村秀樹(財)癌研究会癌研究所 蛋白創製研究部 嘱託研究員
(株)村田製作所 次世代技術研究所 主任
三浦篤志奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 博士研究員
金丸周司東京工業大学 大学院生命理工学研究科 生物プロセス専攻 助教
鈴木治和(独)理化学研究所 ゲノム科学総合研究センター(GSC) 遺伝子構造・機能研究グループ プロジェクト副ディレクター
臼井健悟(独)科学技術振興機構 CREST 研究員
(独)理化学研究所 ゲノム科学総合研究センター(GSC) 遺伝子構造・機能研究グループ 訪問研究員
林崎良英(独)理化学研究所 ゲノム科学総合研究センター(GSC) 遺伝子構造・機能研究グループ プロジェクトディレクター
岩堀健治(独)科学技術振興機構 CREST 研究員
安部聡名古屋大学 大学院理学研究科 物質理学専攻 博士課程
上野隆史名古屋大学 大学院理学研究科 物質理学専攻 助教
(独)科学技術振興機構 PRESTO 研究員
小林未明奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科
(独)科学技術振興機構 CREST 博士研究員
塚本里加子奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科
(独)科学技術振興機構 CREST 技術員
杉本健二奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科
(独)科学技術振興機構 CREST 博士研究員
柏木健司(財)癌研究会癌研究所 蛋白創製研究部
(独)科学技術振興機構 CREST 研究員
佐野健一(財)癌研究会癌研究所 蛋白創製研究部
(独)科学技術振興機構 CREST 研究員
梅津光央東北大学 大学院工学研究科 准教授
芹澤武東京大学 先端科学技術研究センター 准教授
(独)科学技術振興機構 さきがけ
松野寿生東京大学 駒場オープンラボラトリー 助教
松浦和則九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門 准教授
(独)科学技術振興機構 PRESTO
谷光大阪大学 大学院基礎工学研究科 助教
(現 京都大学 化学研究所 元素科学国際研究センター 准教授)
(独)科学技術振興機構 PRESTO 研究員
磯崎勝弘大阪大学 大学院基礎工学研究科
(独)物質・材料研究機構 ナノ有機センター
芳賀祐輔大阪大学 大学院基礎工学研究科
上杉隆大阪大学 大学院基礎工学研究科
中谷昭彦大阪大学 大学院基礎工学研究科
直田健大阪大学 大学院基礎工学研究科
村田智東京工業大学 大学院総合理工学研究科 准教授
齊藤博英京都大学大学院 生命科学研究科 遺伝子動態分野 助教
(独)科学技術振興機構 ICORP グループリーダー
井上丹京都大学大学院 生命科学研究科 遺伝子動態分野 教授
(独)科学技術振興機構 ICORP 研究総括
佐々木善浩奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 助教
(現 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 准教授)
田文杰大連民族学院 生命科学学院 生物工程系 副教授
菊池純一奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 教授
浦岡行治奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 准教授
桐村浩哉奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 博士研究員
冬木隆奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 教授
熊谷慎也松下電器産業(株) 先端技術研究所
吉井重雄松下電器産業(株) 先端技術研究所 主任研究員
寒川誠二東北大学 流体科学研究所 教授
鈴木直毅大阪大学 産業科学研究所 博士研究員
(独)科学技術振興機構 CREST
安立京一大阪大学 産業科学研究所 博士研究員
(独)科学技術振興機構 CREST
李奉局大阪大学 産業科学研究所 博士研究員
(独)科学技術振興機構 CREST
川合知二大阪大学 産業科学研究所 教授(所長)
(独)科学技術振興機構 CREST
一木隆範東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 准教授
東京大学 ナノバイオ・インテグレーション研究拠点
マニッシュ・
ビヤニ
東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 リサーチフェロー
根本直人ジェナシス(株) 最高科学責任者
埼玉大学 大学院理工学研究科 物質科学部門 物質機能領域 准教授(2008年4月1日より)
松尾保孝北海道大学 電子科学研究所 分子認識素子研究分野 助教
居城邦治北海道大学 電子科学研究所 分子認識素子研究分野 教授
田畑仁東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 教授
松井宏ニューヨーク市立大学 ハンター校 化学科 Professor
松村幸子(財)癌研究会癌研究所 蛋白創製研究部
(独)科学技術振興機構 SORST 研究員
湯田坂雅子NEC基礎・環境研究所 主任研究員
(独)科学技術振興機構 SORST
飯島澄男名城大学 理工学部 教授
NEC基礎・環境研究所
(独)科学技術振興機構 SORST
南野徹大阪大学 大学院生命機能研究科 助教
(独)科学技術振興機構 ICORP 超分子ナノマシンプロジェクト
難波啓一大阪大学 大学院生命機能研究科 教授
(独)科学技術振興機構 ICORP 超分子ナノマシンプロジェクト
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 会長
(株)ソニーコンピュータサイエンス研究所 取締役副所長
木賀大介東京工業大学 大学院総合理工学研究科 准教授
上田昌宏大阪大学 大学院生命機能研究科 特任教授
(独)科学技術振興機構 CREST
高木拓明大阪大学 大学院生命機能研究科
奈良県立医科大学 医学部 助教
新井由之大阪大学 大学院生命機能研究科 特任助教
冨樫祐一大阪大学 大学院生命機能研究科 特任助教
柳田敏雄大阪大学 大学院生命機能研究科 教授

構成および内容
【第I編 バイオナノプロセスとナノテクノロジー】

第1章バイオナノプロセスとは(山下一郎、芝清隆)
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(河村秀樹、三浦篤志、芝清隆、山下一郎)
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
3.1GroEL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(山下一郎、芝清隆)
第4章蛋白質に見いだすナノブロック構造(金丸周司)
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
4.11本鎖βヘリックス
4.23本鎖βヘリックス
第5章ナノレゴプロジェクト(鈴木治和、臼井健悟、林崎良英)
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(岩堀健治、山下一郎)
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(安部聡、上野隆史)
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(小林未明、塚本里加子、杉本健二、山下一郎)
1TMV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(柏木健司、芝清隆)
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
5in 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(佐野健一、芝清隆)
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
4TBP-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(梅津光央)
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分子進行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(芹澤武、松野寿生)
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(松浦和則)
1はじめに
2両親媒性ペプチド
3β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〜
(谷光、磯崎勝弘、芳賀祐輔、上杉隆、中谷昭彦、直田健)
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(村田智)
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
4DNA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(齊藤博英、井上丹)
1はじめに
2RNA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
4.1Synthetic biologyにおけるRNA
4.2NanotechnologyにおけるRNA
5RNA/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
6RNA/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(佐々木善浩、田文杰、菊池純一)
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成】

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(山下一郎、芝清隆)
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(三浦篤志、山下一郎)
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(浦岡行治、桐村浩哉、冬木隆、山下一郎)
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
3.1XRDによる評価結果
3.2後方散乱電子回析(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(熊谷慎也、吉井重雄、山下一郎)
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(寒川誠二)
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(鈴木直毅、安立京一、李奉局、川合知二)
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
2.2DNA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
4.2NIL-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(一木隆範、マニッシュ・ビヤニ、根本直人)
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(佐野健一、芝清隆)
1はじめに
2交互積層法Layer-By-Layer
3BioLBL法〜Biomimetic Layer-By-Layer Assembly
4DP-BioLBL
5将来展望
第26章DNA-金属デバイス(松尾保孝、居城邦治)
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
5DNA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(田畑仁)
1概要
2DNAエレクトロニクス
3DNA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―
3.1DNA分子を鋳型としたナノ構造制御(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
4DNAナノテクノロジー
4.1DNA分子の電子状態
4.2DNA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〜(松井宏)
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(松村幸子、湯田坂雅子、飯島澄男、芝清隆)
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(芝清隆、山下一郎)
第31章自己組織化体としての生体超分子(南野徹、難波啓一)
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(北野宏明)
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(木賀大介)
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(上田昌宏、高木拓明、新井由之)
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〜(冨樫祐一、柳田敏雄)
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―ゆらぎの下で働く分子モーター
31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

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