この作品は、費補助金教育省、文化、スポーツ、日本の科学技術、京都Technoscienceセンター、研究開発のための三谷財団からの若手研究（16K17956）用によってサポートされていました。

1.楽器<ol><li> 偏光素子 <ol><li>偏光素子を構成するために、（偏光については、図1Cおよび物質一覧を参照して、ハロゲンランプ、ライトガイド、偏光子、試料ステージ、光学レール、ロッドスタンド、およびデジタル一眼レフカメラで光源を提供デバイスパーツ）。 </li></ol></li></ol>バイオポリマーソリューションの調製<ol><li> 多糖類ソリューション <ol><li>以上12時間〜80℃で攪拌することにより純水（100 mL）中のsacran 7（0.5 g）を溶解します。解散時には、蒸発を防ぐためにラップでコンテナをカバーしています。同様にキサンタンガムの水溶液を調製します。 </li><li> 0.5重量％の水溶液を得るため〜25℃で溶液を冷却します。 </li><li>不純物（48400×gで、4℃、1時間、3ティムを除去するsacran溶液を遠心分離ES）。 </li></ol></li><li> MTソリューション <ol><li>ブリトン-ロビンソン緩衝液中0.5重量％のチューブリン溶液（1 ml）を調製し（80mMのは、N、N &#39; -ビス（2-エタンスルホン酸）（PIPES）をピペラジン; 1mMのエチレングリコール-ビス（βアミノエチルエーテル） - N、N、N &#39;N&#39; -四酢酸（EGTA）、氷8上及び5mMのMgCl 2、pHは6.8）。 </li><li> 0.5重量％のチューブリン溶液（50μL）とを使用グアノシン5&#39; - [（α、β）-methyleno]三リン酸（GpCpp）（5μL）をGpCpp含有チューブリン溶液（50μL）を調製しました。安定したMTの核を得るために3時間37℃でインキュベートします。 注：GpCppの役割はMTの形成を支援するために、完全にチューブリンにMTの解重合を抑制することです。 </li><li>安定した0.5重量％のMTの溶液を得るために1日〜25℃で0.5重量％のチューブリン溶液（950μL）とGpCpp含有チューブリン溶液（50μL）を混合します。 </li></ol></li><li> DNA溶液<ol><li> Tris-EDTA緩衝液（1mMのEDTAを含む10 mMトリス、pHが8.0）に0.5重量％のDNA溶液（1 ml）を調製します。 </li></ol></li><li>乾燥実験のために25℃で0.5重量％のバイオポリマーサンプル溶液を保ちます。 </li></ol>クロス偏光下で3乾燥実験と観察<ol><li> 片側開放セル中の溶液（図1A） <ol><li>シリコンシートを切断し、厚さ1mmの適切な形状に（材料リストを参照）（5〜15ミリメートル、1mmの内径、及び〜20ミリメートル; 図1A）。 <ol><li> 5〜15ミリメートル、1ミリメートル、および〜20ミリメートルと二つの非修飾ガラススライド（26ミリメートル×76ミリメートル×1ミリメートル）の内径を有するシリコンスペーサからなる片側開放セルを組み立てます。漏出から試料溶液を保持するために、事前に二重クリップ付きセルの両側を固定します。 </li></ol></li><li>ゆっくり〜1mmの細孔サイズのピペットを使用して、0.5重量％のバイオポリマー溶液（100〜300μL）のそれぞれを追加〜25°Cでの各セルに先端のテ。注射針を用いて細胞から気泡を除去。 </li><li>蒸発のために、大気圧下、60℃で空気循環オーブンでの細胞を置きます。蒸発方向が重力と反対です。 </li></ol></li><li> 交差偏光下での観察（図1B-1C） <ol><li>広域（80ミリメートル×80 mm）の上に平坦面光源100 Wハロゲンランプを介して直線可視光を提供します。ホルダ（ 図1C）を用いて45°および135°の偏光子を調整します。 </li><li>光学レールやロッドスタンド（ 図1C）を用いた光源、偏光子、試料ステージ、カメラの位置を固定します。二つの偏光子（偏光子との間の距離は約5 cmであるべきである）との間に試料ステージを配置します。集中できるように、試料ステージから〜20センチメートルカメラを置きます。 </li><li>与えられた時間では、ポーラの間にステップ3.1.3からサンプルを置きますrizers XZ平面にステージと平行に及び黒色のカーテンでデバイスを覆います。実際の装置は、 図1Cに示されています。 </li><li>標準ズームレンズをデジタル一眼レフカメラを使用して、線形直交偏光子を介してサンプルを撮影（材料リストを参照）。コンピュータソフトウェア（物質一覧を参照）を使用して、例えば、焦点距離などのカメラの設定を制御します。 </li></ol></li><li> 透過光強度の時空間分析（図1C） <ol><li>乾燥工程における配向秩序度の変化を評価するために、24時間毎時写真を集めます。 </li><li> （ 例えば、ImageJの）画像処理プログラムを用いて、グレー値としてZ方向の中心線に沿って透過光強度を測定します。 </li><li>上部開放側からの距離の関数としてグレー値のグラフをプロットします。 </li></ol></li><li> 交差偏ガーゼの下で顕微鏡観察T（図1D） <ol><li>方法を確認するために、CCDカメラ9を備えた偏光顕微鏡による顕微鏡観察を行います。光路に一次位相差板を保ちます。 PCソフトウェアを使用して写真のための条件を制御します。 </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Flemming, H. -. C., Wingender, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biofilm+matrix.">The biofilm matrix.</a> Nat. Rev. Microbiology. 8 (9), 623-633 (2010).</li><li>Osada, Y., Kawamura, R., Sano, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Hydrogels of cytoskeletal proteins. , (2016).</li><li>Rothemund, P. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Folding+DNA+to+create+nanoscale+shapes+and+patterns.">Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns.</a> Nature. 440, 297-302 (2006).</li><li>Okeyoshi, K., Okajima, M. K., Kaneko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Milliscale+self-integration+of+megamolecule+biopolymers+on+a+drying+gas-aqueous+liquid+crystalline+interface.">Milliscale self-integration of megamolecule biopolymers on a drying gas-aqueous liquid crystalline interface.</a> Biomacromolecules. 17 (6), 2096-2103 (2016).</li><li>De Gennes, P. G., Prost, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The physics of liquid crystals. , (1993).</li><li>De Gennes, P. G., Brochard-Wyart, F., Quere, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Capillarity and wetting phenomena: drops, bubbles, pearls, waves. , (2003).</li><li>Okajima, M. K., Kaneko, D., Mitsumata, T., Kaneko, T., Watanabe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyanobacteria+that+produce+megamolecules+with+efficient+self-orientations.">Cyanobacteria that produce megamolecules with efficient self-orientations.</a> Macromolecules. 42 (8), 3058-3062 (2009).</li><li>Okeyoshi, K., Kawamura, R., Yoshida, R., Osada, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermo-+and+photo-enhanced+microtubule+formation+from+Ru(bpy)32+-conjugated+tubulin.">Thermo- and photo-enhanced microtubule formation from Ru(bpy)32+-conjugated tubulin.</a> J. Mater. Chem. B. 2, 41-45 (2014).</li><li>Matsuo, E. S., Tanaka, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+discontinuous+volume-phase+transition+of+gels.">Kinetics of discontinuous volume-phase transition of gels.</a> J. Chem. Phys. 89, 1695-1703 (1988).</li><li>Okajima, K., Mishima, R., Amornwachirabodee, K., Mitsumata, T., Okeyoshi, K., Kaneko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+swelling+in+hydrogels+formed+by+cooperatively+aligned+megamolecules.">Anisotropic swelling in hydrogels formed by cooperatively aligned megamolecules.</a> RSC Adv. 5, 86723-86729 (2015).</li><li>Joshi, G., Okeyoshi, K., Okajima, M. K., Kaneko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directional+control+of+diffusion+and+swelling+in+megamolecular+polysaccharide+hydrogels.">Directional control of diffusion and swelling in megamolecular polysaccharide hydrogels.</a> Soft Matter. 12, 5515-5518 (2016).</li></ol>

著者は、開示することは何もありません。

カメラは透過光強度が低すぎることに起因する試料に焦点を合わせることが困難な場合がありました。このような場合には、ステージ上の拡張透明プラスチックフィルムを配置するフォーカスを配置するのに役立ちました。観察可能な解像度の限界は、この場合〜10μmのカメラレンズに依存していました。サンプルの厚さの観察制限、ΔYは、この場合〜10ミリメートルランプの最大光強度に依存していました。 図1Bに示された装置の利点は、試料の側面図の写真は、乾燥プロセス中に取り込まれることを可能にすることです。観察は、一般的な顕微鏡で使用される水平面に依存することなく行うことができます。乾燥実験中片側開放セルを放置し、蒸発方向が調節され、重力の反対方向です。側面図を監視することも、乾燥ラットの計算を可能にしますE 4。 将来的には、装置の試料ステージに温度と湿度レギュレータを配置することにより、自動的に配向秩序度の時間的変化を監視することが可能となります。さらに、重量変化を監視するために、セットアップのバランスが濃度の推定に役立つだろう。この方法はまた、多糖類ヒドロゲル11,12の異方性膨潤プロセスを明確にするために使用することができます。したがって、ソフトアクチュエータの構造変化を監視することが可能であろう。

生体高分子の剛直棒状構造に着目して、ダイナミックソフト材料は多糖バイオフィルムマトリックス1、細胞骨格タンパク質2からなる「活性ゲル」、および所望の形状3の「DNA折り紙」など、様々な用途に使用されてきました。構造特性を明確にするために、多くの戦略は、透過型電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、共焦点蛍光顕微鏡として、検討されてきました。これらの方法は主に乾燥または静止状態で行われるため、実際の生体系で見られるようにしかし、巨視的スケールにおける動的挙動を説明することは困難です。最近、我々は正常偏光4を介して水性空気-LCインタフェース上の生体高分子の動的挙動を観察しました。配向構造の可視化の間、バイオポリマーを乾燥させながら溶液、経時変化が不安定エア-LCインタフェース上の生体高分子の自己集積化を示しました。 ここでは、偏光機器を用いて空気-LC界面におけるLC生体高分子溶液の乾燥のためのプロトコルを記載します。 5乾燥考慮していないLC相、6の他の分析とは対照的に、乾燥工程中LCダイナミクスは片側開放セルにおける流体相の側面図で配向秩序度を評価することによってここに検討しました。セル蒸発及び制御蒸着方向と巨視的な監視のために許可される偏器具の使用の組み合わせ。また、それは方法の有効性を実証するために、分子量、濃度、 等の影響を受けた吸着ミクロドメインの結晶構造に着目し、乾燥レコードを検証することが可能であった、乾燥プロこのような多糖類、微小管（MTS）、およびDNAなどの剛性ロッド形状の基本的な生体高分子のcessesは、調査しました。彼らはmegamolecular重みを持つ階層的な高分子の代表的な例であり、その分子間相互作用がLC状態を形成することを可能にするので、私たちは、これらの生体高分子を選びました。

<table><tbody><tr><td>sacran</td><td>Green Science Materials Inc., Japan</td><td></td><td>From Aphanothece sacrum.&lt;br/&gt; M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt; = 1.9 &amp;times; 10&lt;sup&gt;7&lt;/sup&gt; g mol&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>xanthan gum</td><td>Taiyo Kagaku Co., Japan</td><td>Neosoft XC</td><td>From Xanthomonas campestris.&lt;br/&gt; M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt; = 4.7 &amp;times; 10&lt;sup&gt;6&lt;/sup&gt; g mol&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>tubulin</td><td>Cytoskeleton, Inc., USA</td><td>T240</td><td>From porcine brain.</td></tr><tr><td>GpCpp</td><td>Jena Bioscience, Germany</td><td>NU405L</td><td></td></tr><tr><td>piperazine-&lt;em&gt;N,N&amp;prime;&lt;/em&gt;-bis(2-ethanesulfonic acid)</td><td>Sigma-Aldrichi, Co. LLC.</td><td>P6757-500G</td><td>PIPES</td></tr><tr><td>ethylene glycol-bis(&amp;beta;-aminoethyl ether)-&lt;em&gt;N,N,N&#039;,N&#039;&lt;/em&gt;-tetraacetic acid</td><td>Dojindo Molecular Technologies, Inc.</td><td>342-01314</td><td>EGTA</td></tr><tr><td>MgCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-6H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>135-15055</td><td></td></tr><tr><td>KOH</td><td>Wako Pure Chemical Industries, Ltd.</td><td>162-21813</td><td>pellet</td></tr><tr><td>DNA</td><td>Sigma-Aldrich, Co. LLC.</td><td>D1626</td><td>From salmon testes.&lt;br/&gt;Mw = 1.3 &amp;times; 10&lt;sup&gt;6&lt;/sup&gt; Da (~2,000 bp)</td></tr><tr><td>Tris-EDTA buffer solution</td><td>Sigma-Aldrich, Co. LLC.</td><td>T9285-100ML</td><td>10 mM Tris, pH 8.0, with 1 mM EDTA</td></tr><tr><td>slide glass</td><td>Matsunami Glass Ind., Ltd., Japan</td><td>S1111</td><td></td></tr><tr><td>silicon rubber sheet</td><td>Asone Co.</td><td>6-611-32</td><td>Thickness: 1 mm</td></tr><tr><td>centrifuge</td><td>Beckman-Coulter, Inc., USA</td><td>Avanti J-25</td><td>equipped with a JA-20 rotor</td></tr><tr><td>light source</td><td>Sumita Optical Glass, Inc., Japan</td><td>LS-LHA</td><td></td></tr><tr><td>light guide</td><td>Sumita Optical Glass, Inc., Japan</td><td>GF7.2-1-L1500R-M80 (AAAR-015M)</td><td>80 mm &amp;times; 80 mm</td></tr><tr><td>halogen lamp</td><td>Ushio Inc., Japan</td><td>JCR 15V150WBN</td><td></td></tr><tr><td>holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>KMH-80</td><td></td></tr><tr><td>sample stage</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>TARW-25503L</td><td></td></tr><tr><td>sample holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>SHA-25RO</td><td></td></tr><tr><td>rod</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>ROU-12-40</td><td></td></tr><tr><td>posts holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>RS-6-40</td><td></td></tr><tr><td>posts holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>RS-12-60</td><td></td></tr><tr><td>posts holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>RS-12-80</td><td></td></tr><tr><td>posts holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>RS-12-130</td><td></td></tr><tr><td>carrier</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>CAA-25LS</td><td></td></tr><tr><td>camera holder</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>CMH-2</td><td></td></tr><tr><td>medium optical rail</td><td>Sigmakoki, Co.,Ltd.</td><td>OBA-500SH</td><td></td></tr><tr><td>lenstube</td><td>Tomytech, BORG</td><td>lenstube BK</td><td>80&amp;phi;, L25 mm&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>lenstube</td><td>Tomytech, BORG</td><td>lenstube BK</td><td>80&amp;phi;, L50 mm&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>multiband</td><td>Tomytech, BORG</td><td></td><td>80&amp;phi;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>V plate</td><td>Tomytech, BORG</td><td>V plate 60S</td><td></td></tr><tr><td>plate holder</td><td>Viexen, Co.,Ltd.</td><td>plate holder SX</td><td></td></tr><tr><td>EOS Kiss X7i&amp;nbsp;</td><td>Canon Inc., Japan</td><td>8594B001</td><td>with a standard zoom lens,&amp;nbsp; EFP 18-55 mm</td></tr><tr><td>photographic software</td><td>Canon Inc., Japan</td><td>EOS Utility</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>Microsoft</td><td>Surface</td><td></td></tr><tr><td>polarization microscope</td><td>Olympus</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>first order retardation plate</td><td>Olympus</td><td>U-TP530</td><td>&amp;lambda; = 530 nm</td></tr><tr><td>CCD camera</td><td>Olympus</td><td>DP80</td><td></td></tr><tr><td>photographic software</td><td>Olympus</td><td>cellSens Standard</td><td></td></tr><tr><td>Java-based image processing program</td><td>the National Institutes of Health</td><td>ImageJ</td><td></td></tr></tbody></table>

methods for the self-integration of megamolecular biopolymers on the drying air-lc interface

水を使用する生物は常に環境に乾燥する傾向があります。皮膚層における維管束と保湿水で水を動かすの例に見られるように、彼らの活動は、生体高分子ベースのマイクロおよびマクロ構造によって駆動されます。本研究では、乾燥にバイオポリマーからなる水性の液晶（LC）溶液の効果を評価するための方法を開発しました。 LCの生体高分子がmegamolecular重みを持っているように、我々は多糖類、細胞骨格タンパク質、およびDNAを研究することにしました。偏光下で乾燥中に生体高分子溶液の観察は、不安定な空気-LCインターフェースから出発milliscale自己集積化を明らかにする。水性LCバイオポリマー溶液のダイナミクスは、片側開放セルから水を蒸発させることによってモニターすることができます。交差偏光を用いて撮影した画像を解析することにより、 配向秩序度における時空間変化を認識することができます。このこの方法は、様々な分野でなく、自然の生きた組織における人工材料ではないだけの特徴付けのために役立つことができます。私たちは、それが生物医学や環境分野での柔らかい素材のための評価方法を提供することを考えています。

<html> 図1に示すように、乾燥空気-LCインターフェース上macrodomainするために、ミクロドメインからの自己統合のデバイスを使用すること（ 図2A）を評価しました。乾燥実験の最初の実証、megamolecular多糖類、sacran（M W = 1.9×10 7グラムモル-1）およびキサンタンガム（4.7×10 6グラムモル-1）の二種類として、比較しました。 図2Bは、交差偏光下での細胞中の溶液の写真を示します。乾燥前に、両方の溶液に散乱状態で透過光を有するいくつかの明るい領域を観察することが可能でした。 6時間60℃で乾燥した後、sacran溶液中の空気-LC界面の下の領域が大幅に高くなりました。これは、ドメインがゲル収縮プロセスにスキン層形成と同様のインタフェースで巨視的に配向構造を形成することを意味します&quot;外部参照&quot;&gt; 10。温度がちょうど60°Cまで25°Cから増加し、そしていくつかの小さなmacrodomainsインターフェイス下に観察したところ一方、キサンタン溶液の強度が急激に低下しました。キサンタンガムミクロドメインの移動度がはるかに敏感sacranミクロドメインのそれよりも温度になるためです。インターフェイス上の配向の重要な相違点は、このように、偏光装置を用いて検出しました。 図2C及び映画S1は sacran溶液中の乾燥工程のための時空間分析の結果を示します。透過光強度は、マイクロドメインの配向秩序度を示しています。気液界面付近のピーク強度が大幅に増加し、厚さが約2 mmまで成長しました。これらの結果は、ミクロドメインが空気-LCインターフェイスANからオリエントに開始することを示しますインターフェイスにmilliscaleドメイン平行に成長dは。偏光の下で、この観察から、乾燥工程において、流体の動きを可視化することが可能です。 macrodomainサイズおよび配向方向の面でsacranとキサンタンガムとの間の差は、第1次位相差板（ 図2D）での偏光顕微鏡により確認しました。 sacran流体相は、単一macrodomainが界面に形成されることを意味し、一つの青色領域を示しました。対照的に、キサンタンガム流体相は、複数macrodomainsは任意の向きで形成されたことを意味し、青、黄、ピンクの領域を示しました。 この方法はまた、megamolecular重みと基本的な硬質生体高分子の三種類を比較するために調査した-多糖類（sacran：W M = 1.9×10 7グラムモル-1、ミクロドメイン&gt;20μmの長さ）のMT（M W = 10 9 -10 10グラムモル-1、&gt;10μmのミクロドメインの長さ）、及びDNA（= 1.3×10 6グラムのモル-1、マイクロドメインの長さ&lt;1μM）W M - 37℃の生理的な環境インチ図3Bに示すように乾燥する前に、sacran溶液及びMT溶液を全域に散在ドメインと、同様のLC状態を示しました。乾燥工程中に、MT溶液中のドメインは、空気-LCインターフェースから自己の統合を受け、散乱ドメインは単一macrodomainに統合しました。一方、DNA溶液を液相には、特定の配向性を示しませんでした。 MT溶液および緩衝液を用いて調製したDNA溶液の場合には、積分が乾燥中の塩濃度、pH、およびイオン強度の変化によって影響されることに留意することが重要です。 図3C）を用いて偏光顕微鏡で観察し、配向秩序度と吸着ポリマーフィルムの方向を明確にするため=「1」年齢&gt;。 sacran乾燥レコードがあるためmilliscale単一macrodomain形成の重要な複屈折強度を示しました。 MT乾燥記録のために、私たちは、長軸がX軸に平行した波状の束を観察しました。対照的に、DNA溶液の乾燥レコードは、粒子状のmacrodomains &lt;5μmの直径と任意の方向で示されました。これらの観察から、macrodomainサイズは棒状ミクロドメインの長さに影響されることは明らかです。偏光顕微鏡を用いて乾燥レコードを観察することによってバイオポリマーミクロドメインの指向方向を評価することが可能でした。 結論として、偏光を用いた方法を使用しました乾燥空気-LCインタフェース上megamolecularバイオポリマーの自己統合のため。水性LC溶液のダイナミクスは片側開放セルから水を蒸発させることによってモニターしました。交差偏光を用いて撮影した画像を解析することにより、時空間変化および配向秩序度を認識することが可能でした。実証乾燥工程は、自然のプロセスと類似していることを考慮すると、この方法は、様々な分野ではなく、天然の生体組織の人工材料のみならずの特徴付けのために有用であろう。これは、生物医学や環境分野での柔らかい素材のための評価方法を提供できると信じています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55274/55274fig1.jpg" /> 図1：実験を乾燥させます。 （A）片側開放セル中の溶液の略図。 （B）交差偏光下で観察するために用いた実験装置の概略図。偏光子は、通常、45°と135°に調整しました。 （C） 実際のデバイス。この図は、参照6から変更されています。著作権：アメリカ化学会、2016年には<a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55274/55274fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55274/55274fig2.jpg" /> 図2：多糖類sacranとキサンタンガムの水溶液の乾燥工程。 （A） 乾燥空気-LCインタフェース上に自己集積化の概略図。 （B） 初期状態で以降の多糖ソリューションの2種類のサイドビュー交差偏光下で60℃で乾燥の6時間。初期ポリマー濃度は0.5重量％でした。 （C） 所与の時点で撮影した各画像のためのZ方向のライン上のクロスニコルを通る光の強度を伝達。 （D） 60℃での乾燥の6時間後の細胞中のポリマー溶液の偏光顕微鏡像。赤矢印：インターフェイス上macrodomains。この図は、参照6から変更されています。著作権：アメリカ化学会、2016年には<a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55274/55274fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55274/55274fig3.jpg" /> 図3：バイオポリマーの水溶液と乾燥レコードの乾燥工程。 （A）ポリゴンのソースのaccharides（シアノバクテリア）、のMT（ブタの脳）、およびDNA（サーモン精巣）。 （B） 交差偏光下で37℃にて乾燥中sacran、MT、及びDNA溶液の側面図。初期ポリマー濃度は0.5重量％でした。 （C） クロスニコルの所定の方向を介してガラス基板上に乾燥したポリマーフィルムの顕微鏡画像。すべてのスケールバーは50μmです。この図は、参照6から変更されています。著作権：アメリカ化学会、2016年には<a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55274/55274fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="映画S1" src="/files/ftp_upload/55274/55274vid1.jpg" /> 映画S1：60℃で の 乾燥中sacran溶液のプロセスを乾燥 、使用して観察クロスニコル。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55274/Movie_S1-3fps.avi" target="_blank">この映画をダウンロードするにはこちらをクリックしてください。</a>

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Methods for the Self-integration of Megamolecular Biopolymers on the Drying Air-LC Interface

空気 - 液体結晶界面にmegamolecular生体高分子の乾燥誘導性の自己集積化するための方法がここに提供されます。この方法は、生体高分子の巨視的ポテンシャルを理解するために、だけでなく、生物医学や環境分野でのソフト材料の評価方法としてだけでなく、有用であろう。

乾燥風-LCインターフェイス上Megamolecular生体高分子の自己統合するための方法

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and ...

methods-for-self-integration-megamolecular-biopolymers-on-drying-air

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

6.0K ビュー.  Japan Advanced Institute of Science and Technology. 空気 - 液体結晶界面にmegamolecular生体高分子の乾燥誘導性の自己集積化するための方法がここに提供されます。この方法は、生体高分子の巨視的ポテンシャルを理解するために、だけでなく、生物医学や環境分野でのソフト材料の評価方法としてだけでなく、有用であろう。 

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Synthesis of Poly(N-isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels for Anisotropic Thermo-responsiveness and Organophilic/Hydrophilic Loading Capability

Janus microparticles are compartmentalized particles with differing molecular structures and/or functionality on each of their two sides. Because of this unique property, Janus microparticles have been recognized as a new class of materials, thereby attracting a great deal of attention from various research fields. The versatility of these microparticles has been exemplified through their uses as building blocks for self-assembly, electrically responsive actuators, emulsifiers for painting and cosmetics, and carriers for drug delivery. This study introduces a detailed protocol that explicitly describes a synthetic method for designing novel Janus microhydrogels composed of a single base material, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm). Janus microdroplets are firstly generated via a hydrodynamic focusing microfluidic device (HFMD) based on the separation of a supersaturated aqueous NIPAAm monomer solution and subsequently polymerized through exposure to UV irradiation. The resulting Janus microhydrogels were found to be entirely composed of the same base material, featured an easily identifiable compartmentalized morphology, and exhibited anisotropic thermo-responsiveness and organophilic/hydrophilic loading capability. We believe that the proposed method introduces a novel hydrogel platform with the potential for advanced synthesis of multi-functional Janus microhydrogels.

Synthesis of PolyN-isopropylacrylamide Janus Microhydrogels for Anisotropic Thermo-responsiveness and Organophilic/Hydrophilic Loading Capability

We present a protocol to synthesize Janus microhydrogels composed entirely of the same base material, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), with a clearly compartmentalized structure base on the phase separation of a supersaturated NIPAAm monomer solution. The synthesized Janus microhydrogels show unique properties such as anisotropic thermo-responsiveness and organophilic/hydrophilic loading capability.

ポリの合成（<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide）異方性熱応答性および有機性/親水性ローディング機能のためのヤヌスMicrohydrogels

Janus microparticles are compartmentalized particles with differing molecular structures and/or functionality on each of their two sides. Because of this ...

化学

Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve desired molecular orientation states in LC displays, the "static" surface property of LCs, so-called surface anchoring, has been intensively studied. As a rule of thumb, once the initial orientation of LCs is "locked" by specific surface treatments, such as rubbing or treatment with a specific alignment layer, it hardly changes with temperature. Here, we present a system exhibiting an orientational transition upon temperature variation, which conflicts with the consensus. Right on the transition, the bulk LC molecules experience the orientational rotation, with 90&#176; between the planar (P) orientation at high temperatures and the vertical (V) orientation at low temperatures in the first-order transitional manner. We have tracked thermodynamic surface anchoring behavior by means of polarizing optical microscopy (POM), dielectric spectroscopy (DS), high-resolution differential scanning calorimetry (HR-DSC), and grazing incidence X-ray diffraction (GI-XRD) and reached a plausible physical explanation: that the transition is triggered by a growth of surface wetting sheets, which impose the V orientation locally against the P orientation in the bulk. This landscape would provide a general link explaining how the equilibrium bulk orientation is affected by surface-localized orientation in many LC systems. In our characterization, POM and DS are advantageous by offering information on the spatial distribution of the orientation of LC molecules. HR-DSC gives information about the precise thermodynamic information on transitions, which cannot be addressed by conventional DSC instruments due to limited resolution. GI-XRD provides information on surface-specific molecular orientation and short-range orderings. The goal of this paper is to present a protocol for preparing a sample that exhibits the transition and to demonstrate how the thermodynamic structural variation, both in the bulk and on surfaces, can be analyzed through the abovementioned methods.

Here, we present a protocol to trigger an orientational transition of a liquid crystal in response to temperature. Methodologies are described for preparing a sample in order to observe the transition and the detailed transitional evolution.

界面湿潤シートの熱力学的成長によって引き起こされる液晶の配向転移

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve ...

工学

Interfacial Molecular-level Structures of Polymers and Biomacromolecules Revealed via Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

As a second-order nonlinear optical spectroscopy, sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy has widely been used in investigating various surfaces and interfaces. This non-invasive optical technique can provide the local molecular-level information with monolayer or submonolayer sensitivity. We here are providing experimental methodology on how to selectively detect the buried interface for both macromolecules and biomacromolecules. With this in mind, interfacial secondary structures of silk fibroin and water structures around model short-chain oligonucleotide duplex are discussed. The former shows a chain-chain overlap or spatial confinement effect and the latter shows a protection function against the Ca2+ ions resulting from the chiral spine superstructure of water.

Being comprehensively utilized, sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy can help to reveal chain conformational order and secondary structural change happening at polymer and biomacromolecule interfaces.

サム周波数生成振動分光法で明らかになったポリマーと生体マクロ分子の界面分子レベル構造

As a second-order nonlinear optical spectroscopy, sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy has widely been used in investigating various ...

生化学

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous light irradiation. The photo-excitation of dopants that can quickly dissipate light into heat, coupled with anisotropic thermal expansion and self-shadowing of the film, gives rise to the self-sustained deformation. The oscillations observed are influenced by the dimensions and the modulus of the film, and by the directionality and intensity of the light. The system developed offers applications in energy conversion and harvesting for soft-robotics and automated systems.
The general method described here consists of creating free-standing liquid crystalline films and characterizing the mechanical and thermal effects observed. The molecular alignment is achieved using alignment layers (rubbed polyimide), commonly used in the display manufacturing industry. To obtain actuators with large deformation, the mesogens are aligned and polymerized in a splay/bend configuration, i.e., with the director of the liquid crystals (LCs) going gradually from planar to homeotropic through the film thickness. Upon irradiation, the mechanical and thermal oscillations obtained are monitored with a high-speed camera. The results are further quantified by image analysis using an image processing program.

The goal of the protocol is to create liquid crystalline polymer films that can mechanically oscillate under continuous light irradiation. We describe in great detail the conception of free-standing films, from the liquid crystal alignment method to the photo-actuation. The experimental protocol applied to prepare this material is broadly applicable.

巨視的揺動運動の光によって誘起される液晶ネットワークの準備

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation usually consists in the formation of droplets containing low molar mass liquid crystals at elevated temperatures. Subsequently, these particle precursors are oriented in the flow field of the capillary and solidified by a crosslinking polymerization, which produces the final actuating particles. The optimization of the process is necessary to obtain the actuating particles and the proper variation of the process parameters (temperature and flow rate) and allows variations of size and shape (from oblate to strongly prolate morphologies) as well as the magnitude of actuation. In addition, it is possible to vary the type of actuation from elongation to contraction depending on the director profile induced to the droplets during the flow in the capillary, which again depends on the microfluidic process and its parameters. Furthermore, particles of more complex shapes, like core-shell structures or Janus particles, can be prepared by adjusting the setup. By the variation of the chemical structure and the mode of crosslinking (solidification) of the liquid crystalline elastomer, it is also possible to prepare actuating particles triggered by heat or UV-vis irradiation.

This article describes the microfluidic process and parameters to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. This process allows the preparation of actuating particles and the variation of their size and shape (from oblate to strongly prolate, core-shell, and Janus morphologies) as well as the magnitude of actuation.

液晶エラストマーのアクチュエータのマイクロの準備

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and as soft robots. Here, we demonstrate the preparation of shape-responsive liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites along with characterization of their shape-responsiveness, mechanical properties, and microstructure. Two types of LCEs &#8212; polysiloxane-based and epoxy-based &#8212; are synthesized, aligned, and characterized. Polysiloxane-based LCEs are prepared through two crosslinking steps, the second under an applied load, resulting in monodomain LCEs. Polysiloxane LCE nanocomposites are prepared through the addition of conductive carbon black nanoparticles, both throughout the bulk of the LCE and to the LCE surface. Epoxy-based LCEs are prepared through a reversible esterification reaction. Epoxy-based LCEs are aligned through the application of a uniaxial load at elevated (160 &#176;C) temperatures. Aligned LCEs and LCE nanocomposites are characterized with respect to reversible strain, mechanical stiffness, and liquid crystal ordering using a combination of imaging, two-dimensional X-ray diffraction measurements, differential scanning calorimetry, and dynamic mechanical analysis. LCEs and LCE nanocomposites can be stimulated with heat and/or electrical potential to controllably generate strains in cell culture media, and we demonstrate the application of LCEs as shape-responsive substrates for cell culture using a custom-made apparatus.

We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.

モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

生物工学

Automated Lipid Bilayer Membrane Formation Using a Polydimethylsiloxane Thin Film

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for biosensor applications. However, conventional BLM formation techniques have several drawbacks and they often require specific expertise and laborious processes. In particular, conventional BLMs suffer from low formation success rates and inconsistent membrane formation time. Here, we demonstrate a storable and transportable BLM formation system with controlled thinning-out time and enhanced BLM formation rate by replacing conventionally used films (polytetrafluoroethylene, polyoxymethylene, polystyrene) to polydimethylsiloxane (PDMS). In this experiment, a porous-structured polymer such as PDMS thin film is used. In addition, as opposed to conventionally used solvents with low viscosity, the use of squalene permitted a controlled thinning-out time via slow solvent absorption by PDMS, prolonging membrane lifetime. In addition, by using a mixture of squalene and hexadecane, the freezing point of the lipid solution was increased (~16 &#176;C), in addition, membrane precursors were produced that can be indefinitely stored and readily transported. These membrane precursors have reduced BLM formation time of &#60; 1 hr and achieved a BLM formation rate of ~80%. Moreover, ion channel experiments with gramicidin A demonstrated the feasibility of the membrane system.

We demonstrate a storable, transportable lipid bilayer formation system. A lipid bilayer membrane can be formed within 1 hr with over 80% success rate when a frozen membrane precursor is brought to ambient temperature. This system will reduce laborious processes and expertise associated with ion channels.

ポリジメチルシロキサン薄膜を用いた自動化された脂質二重膜の形成

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for ...

Self-Assembly of Hybrid Lipid Membranes Doped with Hydrophobic Organic Molecules at the Water/Air Interface

Because of their unique properties, including an ultrathin thickness (3-4 nm), ultrahigh resistivity, fluidity and self-assembly ability, lipid bilayers can be readily functionalized and have been used in various applications such as bio-sensors and bio-devices. In this study, we introduced a planar organic molecule: copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) to dope lipid membranes. The CuPc/lipid hybrid membrane forms at the water/air interface by self-assembly. In this membrane, the hydrophobic CuPc molecules are located between the hydrophobic tails of lipid molecules, forming a lipid/CuPc/lipid sandwich structure. Interestingly, an air-stable hybrid lipid bilayer can be readily formed by transferring the hybrid membrane onto a Si substrate. We report a straightforward method for incorporating nanomaterials into a lipid bilayer system, which represents a new methodology for the fabrication of biosensors and biodevices.

We report a protocol for producing a hybrid lipid membrane at the water/air interface by doping the lipid bilayer with copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) molecules. The resulting hybrid lipid membrane has a lipid/CuPc/lipid sandwich structure. This protocol can also be applied to the formation of other functional nanomaterials.

水/空気界面で疎水性有機分子をドープしたハイブリッド脂質膜の自己集合

Because of their unique properties, including an ultrathin thickness (3-4 nm), ultrahigh resistivity, fluidity and self-assembly ability, lipid bilayers ...

Crystallization of Proteins on Chip by Microdialysis for In Situ X-ray Diffraction Studies

This protocol describes the manufacturing of reproducible and inexpensive microfluidic devices covering the whole pipeline for crystallizing proteins on-chip with the dialysis method and allowing in situ single-crystal or serial crystallography experiments at room temperature. The protocol details the fabrication process of the microchips, the manipulation of the on-chip crystallization experiments and the treatment of the in situ collected X-ray diffraction data for the structural elucidation of the protein sample. The main feature of this microfabrication procedure lies on the integration of a commercially available, semipermeable regenerated cellulose dialysis membrane in between two layers of the chip. The molecular weight cut-off of the embedded membrane varies depending on the molecular weight of the macromolecule and the precipitants. The device exploits the advantages of microfluidic technology, such as the use of minute volumes of samples (&#60;1 &#181;L) and fine tuning over transport phenomena. The chip coupled them with the dialysis method, providing precise and reversible control over the crystallization process and can be used for investigating phase diagrams of proteins at the microliter scale. The device is patterned using a photocurable thiolene-based resin with soft imprint lithography on an optically transparent polymeric substrate. Moreover, the background scattering of the materials composing the microchips and generating background noise was evaluated rendering the chip compatible for in situ X-ray diffraction experiments. Once protein crystals are grown on-chip up to an adequate size and population uniformity, the microchips can be directly mounted in front of the X-ray beam with the aid of a 3D printed holder. This approach addresses the challenges rising from the use of cryoprotectants and manual harvesting in conventional protein crystallography experiments through an easy and inexpensive manner. Complete X-ray diffraction data sets from multiple, isomorphous lysozyme crystals grown on-chip were collected at room temperature for structure determination.

Crystallization of Proteins on Chip by Microdialysis for In Situ X-ray Diffraction Studies

This paper details the fabrication protocol of microfluidic chips developed for on-chip protein crystallization with the dialysis method and in situ X-ray diffraction experiments. The microfabrication process makes it possible to integrate a semipermeable regenerated cellulose dialysis membrane with any molecular weight cut-off, between two layers of the chip.

In Situ X線回折研究のためのマイクロダイアルシスによるチップ上のタンパク質の結晶化

This protocol describes the manufacturing of reproducible and inexpensive microfluidic devices covering the whole pipeline for crystallizing proteins ...

Crystallization of Membrane Proteins in Lipidic Mesophases

Membrane proteins perform critical functions in living cells related to signal transduction, transport and energy transformations, and, as such, are implicated in a multitude of malfunctions and diseases. However, a structural and functional understanding of membrane proteins is strongly lagging behind that of their soluble partners, mainly, due to difficulties associated with their solubilization and generation of diffraction quality crystals. Crystallization in lipidic mesophases (also known as in meso or LCP crystallization) is a promising technique which was successfully applied to obtain high resolution structures of microbial rhodopsins, photosynthetic proteins, outer membrane beta barrels and G protein-coupled receptors. In meso crystallization takes advantage of a native-like membrane environment and typically produces crystals with lower solvent content and better ordering as compared to traditional crystallization from detergent solutions. The method is not difficult, but requires an understanding of lipid phase behavior and practice in handling viscous mesophase materials. Here we demonstrate a simple and efficient way of making LCP and reconstituting a membrane protein in the lipid bilayer of LCP using a syringe mixer, followed by dispensing nanoliter portions of LCP into an assay or crystallization plate, conducting pre-crystallization assays and harvesting crystals from the LCP matrix. These protocols provide a basic guide for approaching in meso crystallization trials; however, as with any crystallization experiment, extensive screening and optimization are required, and a successful outcome is not necessarily guaranteed.

The protocols describe the essential steps for obtaining diffraction quality crystals of a membrane protein starting from reconstitution of the protein in a lipidic cubic phase (LCP), finding initial conditions with LCP-FRAP pre-crystallization assays, setting up LCP crystallization trials and harvesting crystals.

脂質中間相における膜タンパク質の結晶化

Membrane proteins perform critical functions in living cells related to signal transduction, transport and energy transformations, and, as such, are ...