宇都 卓也 (ウト タクヤ)

UTO Takuya

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所属

工学教育研究部 工学科応用物質化学プログラム担当

職名

准教授

研究室住所

工学部A棟516室

外部リンク

学位 【 表示 / 非表示

  • 博士(工学) ( 2014年9月   宮崎大学 )

  • 修士(工学) ( 2012年3月   宮崎大学 )

  • 学士(教育学) ( 2010年3月   宮崎大学 )

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • 計算化学

研究分野 【 表示 / 非表示

  • ナノテク・材料 / 基礎物理化学  / 基礎物理化学

  • ナノテク・材料 / 高分子化学  / 生体高分子化学

  • 情報通信 / 生命、健康、医療情報学  / 計算化学

学歴 【 表示 / 非表示

  • 宮崎大学大学院   農学工学総合研究科   生物機能応用科学専攻

    2012年4月 - 2014年9月

  • 宮崎大学大学院   工学研究科   物質環境化学専攻

    2010年4月 - 2012年3月

  • 宮崎大学   教育文化学部   学校教育課程理系教科教育選修

    2006年4月 - 2010年3月

学内職務経歴 【 表示 / 非表示

  • 宮崎大学   工学教育研究部   工学科応用物質化学プログラム担当   准教授

    2021年11月 - 継続中

  • 宮崎大学   キャリアマネジメント推進機構   テニュアトラック推進室   助教

    2020年01月 - 2021年10月

  • 宮崎大学   テニュアトラック推進機構   助教

    2018年11月 - 2019年12月

学外略歴 【 表示 / 非表示

  • 日本学術振興会特別研究員(PD)   鹿児島大学大学院理工学研究科   日本学術振興会特別研究員

    2016年4月 - 2018年10月

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    国名:日本国

  • 日本学術振興会特別研究員(PD)   宮崎大学工学部   日本学術振興会特別研究員

    2014年10月 - 2016年3月

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    国名:日本国

  • 日本学術振興会特別研究員(DC2)   宮崎大学大学院農学工学総合研究科   日本学術振興会特別研究員

    2014年4月 - 2014年9月

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    国名:日本国

所属学協会 【 表示 / 非表示

  • アメリカ化学会

  • 日本化学会

  • 高分子学会

  • 繊維学会

  • セルロース学会

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論文 【 表示 / 非表示

  • Off-axis photoelasticity by anisotropic molecular deformation of uniaxially aligned cellulose nanofiber films 招待あり 査読あり 国際誌

    Kojiro Uetani, Takuya Uto

    Carbohydrate Polymer Technologies and Applications   2 ( 25 )   Article number: 100166   2021年12月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier Ltd.  

    We report the angle dependence of the photoelasticity for unidirectionally aligned films of bacterial cellulose nanofibers (CNFs) by applying the off-axis stress at 0°–90° with respect to the CNF orientation. The photoelastic coefficient was positive when the stress direction was close to the CNF axial direction, and it was negative when the stress was applied close to the lateral direction. The positive to negative photoelasticity was also observed in the off-axis photoelasticity of the cellophane film and in the density functional theory (DFT) calculations for the stretching between two atoms in the cellobiose model. On the other hand, unlike the cellophane film, the CNF film showed a positively and negatively asymmetric photoelasticity of 5 to −10 TPa−1, reflecting the anisotropy of the crystal modulus tensor. We found that the presence or absence of cellulose crystals controls the anisotropy of photoelasticity by constraining the molecular deformation.

    DOI: 10.1016/j.carpta.2021.100166

  • Synthetic zwitterions as efficient non-permeable cryoprotectants 査読あり 国際誌

    Yui Kato, Takuya Uto, Daisuke Tanaka, Kojiro Ishibashi, Akiko Kobayashi, Masaharu Hazawa, Richard W. Wong, Kazuaki Ninomiya, Kenji Takahashi, Eishu Hirata, Kosuke Kuroda

    Communications Chemistry   4   Article number: 151   2021年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nature Research  

    Cryopreservation of cells is necessary for long periods of storage. However, some cell lines cannot be efficiently cryopreserved, even when optimized commercial cryoprotectants are employed. Previously, we found that a low-toxic synthetic zwitterion aqueous solution enabled good cryopreservation. However, this zwitterion solution could not cryopreserve some cells, such as human kidney BOSC cells, with good efficiency. Therefore, details of the cryoprotective effect of the zwitterions and optimization based on its mechanisms are required. Herein, we synthesized 18 zwitterion species and assessed the effects of the physical properties of water/zwitterion mixtures. Non-cell-permeable zwitterions can inhibit ice crystal formation extracellularly via direct interaction with water and intracellularly via dehydration of cells. However, cells that could not be cryopreserved by zwitterions were insufficiently dehydrated in the zwitterion solution. Dimethyl sulfoxide (DMSO) was combined as a cell-permeable cryoprotectant to compensate for the shortcomings of non-cell-permeable zwitterions. The water/zwitterion/DMSO (90/10/15, v/w/w) could cryopreserve different cells, for example freezing-vulnerable K562 and OVMANA cells; yielding ~1.8-fold cell viability compared to the case using a commercial cryoprotectant. Furthermore, molecular dynamics simulation indicated that the zwitterions protected the cell membrane from the collapse induced by DMSO.

    DOI: 10.1038/s42004-021-00588-x

  • Extended ensemble molecular dynamics study of cellulose I–ethylenediamine complex crystal models: Atomistic picture of desorption behaviors of ethylenediamine 招待あり 査読あり 国際誌

    Toshifumi Yui, Takuya Uto

    Cellulose   2021年8月

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    担当区分:最終著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Nature  

    Cellulose I crystals swell on exposure to ethylenediamine (EDA) molecules to form a cellulose I–EDA complex, and successive extraction of EDA molecules converts the complex crystalline phase to either original cellulose I or cellulose IIII, depending on the treatment procedure. The present study reports the extended ensemble molecular dynamics (MD) simulation of the cellulose I–EDA complex models. An accelerated MD simulation allows most of the EDA molecules to desorb from the crystal model through a hydrophilic channel between the piles of cellulose chains, one at a time. Migration of a single EDA molecule along the channel is simulated by the adopted steered MD method combined with the umbrella sampling method to evaluate the potential of mean force (PMF) or free energy change on its movement. The PMF continues to increase during the migration of an EDA molecule to give a final PMF value of more than 30 kcal/mol. The PMF profiles are largely lowered by the removal of EDA molecules in the neighboring channels and by the widening of the channel. The former suggests that the EDA desorption cooperates with that in the neighboring channels, and, in the latter case, an EDA migration is efficiently promoted by solvation with water molecules in the expanded channel. We conclude that the atomistic picture of the EDA desorption behaviors observed in the crystal models is applicable to the real crystalline phase.

    DOI: 10.1007/s10570-021-04136-7

    DOI: 10.1007/s10570-021-04136-7

  • Essential requirements of biocompatible cellulose solvents 査読あり 国際共著 国際誌

    Tetsuo Komori, Heri Satria, Kyohei Miyamura, Ai Ito, Magoto Kamiya, Ayumi Sumino, Takakazu Onishi, Kazuaki Ninomiya, Kenji Takahashi, Jared L. Anderson, Takuya Uto, Kosuke Kuroda

    ACS Sustainable Chemistry & Engineering   9 ( 35 )   11825 - 11836   2021年8月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society (ACS)  

    Energy-efficient bioethanol production from plant biomass is in high demand, and one of the most promising procedures reported to date is one-pot ethanol production, that is, the production of ethanol from biomass in the same reaction pot, such as industrial first-generation bioethanol. This process requires cellulose solvents whose toxicity toward fermentative microorganisms is extremely low. Herein, we have developed a low-toxic zwitterionic cellulose solvent known as 4-(1-(2-(2-methoxyethoxy)ethyl)imidazol-3-io)butyrate (OE2imC3C). OE2imC3C is the only reported solvent that satisfies the following properties: being liquid at mild temperature and having good cellulose dissolution ability and low toxicity, even when including other types of solvents. We here investigated the relationship between the chemical structures and properties by synthesizing 22 zwitterions. Long alkyl- or oligoether chains attached to the cation (cation tails) were necessary to be a liquid. The zwitterions, except for that with an octyl tail, exhibited biocompatibility. Interestingly, the spacers of the zwitterions, alkyl chains between the cations and anions, were expected to be inert, but affected the toxicity. The molecular mechanisms were investigated using molecular dynamics simulations. The zwitterions exhibiting low toxicity scarcely inserted their cation tails into cell membrane and thus did not rupture the cell membrane. Ionic liquids, which have free cations and anions, induced molecular-level disruption of the cell membrane, suggesting that the zwitterion structure is a critical factor for low toxicity. The spacers, which were expected to be inert, shifted the solvent cluster structures in the bulk phase and induced molecular-level disruption of the cell membrane. The requirements for low-toxic cellulose solvents are zwitterionic structures, carboxylate anions, long polar cation tails, and in some cases, short spacers.

    DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c03438

  • Ether‐functionalized pyrrolidinium‐based room temperature ionic liquids: Physicochemical properties, molecular dynamics, and the lithium ion coordination environment 査読あり 国際誌

    Kazuki Yoshii, Takuya Uto, Takakazu Onishi, Daichi Kosuga, Naoki Tachikawa, Yasushi Katayama

    ChemPhysChem   22 ( 15 )   1584 - 1594   2021年7月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:John Wiley & Sons, Inc.  

    The physicochemical properties of room temperature ionic liquids (RTILs) consisting of bis(trifluoromethanesulfonyl)amide (TFSA−) combined with 1-hexyl-1-methylpyrrolidinium (Pyr1,6+), 1-(butoxymethyl)-1-methylpyrrolidinium (Pyr1,1O4+), 1-(4-methoxybutyl)-1-methyl pyrrolidinium (Pyr1,4O1+), and 1-((2-methoxyethoxy)methyl)-1-methylpyrrolidinium (Pyr1,1O2O1+) were investigated using both experimental and computational approaches. Pyr1,1O2O1TFSA, which contains two ether oxygen atoms, showed the lowest viscosity, and the relationship between its physicochemical properties and the position and number of the ether oxygen atoms was discussed by a careful comparison with Pyr1,1O4TFSA and Pyr1,4O1TFSA. Ab initio calculations revealed the conformational flexibility of the side chain containing the ether oxygen atoms. In addition, molecular dynamics (MD) calculations suggested that the ion distributions have a significant impact on the transport properties. Furthermore, the coordination environments of the Li ions in the RTILs were evaluated using Raman spectroscopy, which was supported by MD calculations using 1000 ion pairs. The presented results will be valuable for the design of functionalized RTILs for various applications.

    DOI: 10.1002/cphc.202100380

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書籍等出版物 【 表示 / 非表示

  • セルロースナノファイバーの調製、分散・複合化と製品応用

    湯井敏文、宇都卓也( 範囲: 計算化学手段によるセルロースナノファイバー構造のミクロ解析)

    ㈱技術情報協会  2015年1月 

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    担当ページ:405-411   記述言語:日本語

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MISC 【 表示 / 非表示

  • コンピュータシミュレーションによる新規セルロース材料の分子設計

    宇都卓也、湯井敏文

    科研費による研究成果展開;九州・沖縄地方成果事例報告書   127   2017年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(大学・研究所紀要)  

    researchmap

    その他リンク: http://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/hojyo/1372562.htm

受賞 【 表示 / 非表示

  • 2018年度繊維学会奨励賞

    2019年6月   公益社団法人 繊維学会   構造多糖材料の結晶構造特性と溶解機構に関する計算化学研究

    宇都 卓也

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    受賞区分:国内外の国際的学術賞  受賞国:日本国

科研費(文科省・学振)獲得実績 【 表示 / 非表示

  • 計算化学とデータ科学の融合による構造多糖材料における界面メカニズムの解明

    研究課題/領域番号:20K15232  2020年04月 - 2023年03月

    科学研究費補助金 

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    担当区分:研究代表者 

    木質細胞壁や甲殻類外骨格などに見出されるセルロースやキチンは構造多糖であり、高結晶性繊維のため、水や一般的な有機溶媒に難溶で加工性に乏しい問題がある。最近、セルロースやキチンを良好に溶解するイオン液体が注目されている。本研究課題では、イオン液体の基本骨格や側鎖構造の違いによって、セルロースやキチンの溶解性にどのような影響を与えるのかに着目し、界面ダイナミクスや分子論的観点から解析する。具体的には、様々なイオン液体の溶解シミュレーションを基に溶解機構を体系的に解析し、熱力学的パラメータによる定量的評価を行う。さらに、データ駆動型解析と連携させることで、新規な可溶化溶媒の探索・発見につなげる。

  • 糖結合モジュールタンパク質による糖鎖基質認識機構の網羅的解析

    研究課題/領域番号:17K00409  2017年04月 - 2020年03月

    科学研究費補助金  基盤研究(C)

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    担当区分:研究分担者 

    孤立分子鎖または結晶状態のセルロースやキチン糖鎖基質と可逆的(非触媒的)に結合する糖結合モジュール(CBM)タンパク質を対象とした。CBMは触媒能力を持たないが、触媒ドメインの基質に対するアクセシビリティを向上させる。酵素本体(触媒ドメイン)に基質が活性部位に結合した複合体の場合、結晶構造解析対象となることが多いが、可逆的かつ多様な結合状態が予想されるCBM-糖鎖複合体の結晶構造解析研究例は限られている。本研究は、コンピュータによる分子シミュレーションを手段として、CBMの基質認識機構を明らかにすることを目的とした。CBMは糖鎖に対する結合様式によって、主に不溶・結晶状態の糖鎖に対してCBM表面が認識する様式(Type A)、CBM表面の浅いクレフト上で孤立糖鎖を認識する様式(Type B)、および糖1~2残基程度の糖鎖部分に対してCBM表面が認識する様式(Type C)に分類される。これらの三つの結合様式に対応する複数のCBMをモデル系として選択し、それらCBMと糖鎖基質の複合体構造モデル群を網羅的に求める。得られた複合体モデル群のシミュレーション計算を実施し、基質認識に関わる熱力学量や立体構造を解析する。さらに、CBM表面に対する糖鎖基質の結合・脱離過程や結合クレフト上の基質移動過程等のより大きな構造変化を伴う基質認識過程を、分子シミュレーション計算によって再現する。以上の知見から、CBMが示す可逆的かつ多様な糖鎖基質認識機構の空間的・時間的な全体像を明らかにする。一般に、糖加水分解酵素(セルラーゼ、キチナーゼ等)は、CBMを失うと触媒活性を大きく低下する。本研究の成果は、酵素全体の反応機構に理解に貢献することに加え、加水分解活性や基質認識特性を制御する変異CBM設計へと展開することが期待される。

  • 材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明

    研究課題/領域番号:16J10411  2016年04月 - 2019年03月

    科学研究費補助金  特別研究員推奨費

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    担当区分:研究代表者 

    最近、構造多糖を溶解するイオン液体に注目がされている。異なるイオン液体のセルロースやキチンに対する溶解性を関連づけるために、イオン液体中におけるセルロース・キチン溶解の分子動力学計算を実施した。その結果、イオン液体のカチオンとアニオンが協同的にセルロース・キチンの分子間水素結合を切断する溶解過程を観察した。特に、界面に存在する臭化物イオンがキチン溶解に寄与することが計算によって示唆されたため、微量の臭化物イオン存在下でもキチン溶解性が向上することを実験によって検証した。また、水素結合切断量と実際のセルロース・キチン溶解度が強く相関し、文献情報の無いイオン液体の溶解度を予測した。さらに、多糖材料の高次構造制御に関する体系的な理解を目的として、イオン液体中でのキサンタンガムのダイナミクス挙動や、臭化カルシウム二水和物/メタノール溶液中でのキチン溶解現象について計算化学的手段により解析した。また、セルロースの結晶構造を3次元分解した分子鎖シートモデルに対して、密度汎関数理論計算を適用した。その結果、天然セルロース繊維について、長年議論されてきた変形特性の要因が、Iα型(110)/Iβ型(100)面の平面状分子鎖シートに由来することを明らかにした。天然型セルロース結晶のアミン処理によって得られるⅢ型結晶構造(100)面由来の孤立分子鎖シートモデルがナノチューブ形態に変化することを以前に観察した。本年度は、シクロヘキサンおよび酢酸エチル中でのセルロースナノチューブ(CelNT)モデルの立体構造安定性を評価した。実験的にセルロース分子鎖をチューブ状に自己組織化させ、CelNT構造を創製することは容易でないと推定されるが、提案したチューブ構築原理は、疎水性表面を持つセルロースの様々なナノ構造体設計へと展開しうるものと期待される。

  • セルロース結晶構造特性解析を基盤とした新規セルロース関連材料の分子設計研究

    研究課題/領域番号:14J05740  2014年04月 - 2016年03月

    科学研究費補助金  特別研究員推奨費

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    担当区分:研究代表者 

    植物細胞壁の主成分であるセルロースは、天然でほぼ単結晶に相当する高結晶繊維として生産され、それらを微細化したセルロースナノファイバーは複合材料のナノフィラーとして注目されている。本研究では、計算化学的手法により、セルロース結晶の構造特性に関する分子論的理解を深め、それら知見を基盤とした新規セルロース関連材料を提案した。これまで計算化学研究により予測されたセルロースナノチューブ(CelNT)について、立体構造や熱力学特性および、それら特性に対する形状、サイズや溶媒の影響を解析した。量子化学計算により、予測されたCelNT構造に基づいて、任意に分子鎖配置やサイズをデザインしたCelNTモデルへと拡張し、様々な溶媒条件でのダイナミクス構造を検討した。シミュレーションの様々な時間帯で、局所構造に相当するヒドロキシメチル基の配座変換に伴って、分子鎖間水素結合様式の交換が観察された。このような高頻度のヒドロキシメチル基配向や分子鎖間水素結合の交換は、平面状分子鎖シートで構成されるセルロース結晶構造中では観察されず、CelNTの曲面分子鎖シートに起因する特徴と推定された。次に、チューブ表面における溶媒密度分布をマッピングする新たな解析手法を確立し、ナノチューブ表面で低誘電率の溶媒分子が集合している様子(構造化)を観察した。特に、シクロヘキサンやベンゼンなどといった低誘電率の無極性溶媒では、チューブ表面における溶媒分子の構造化が顕著であった。このような結果から、本研究で提案されたCelNTは、分子鎖シート両端の親水基が閉じることで疎水的性質が支配的となる新たなセルロース高次構造である可能性が示唆された。

 

委員歴 【 表示 / 非表示

  • 文部科学省科学技術・学術政策研究所   科学技術予測センター専門調査員  

    2020年4月 - 現在   

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    団体区分:政府

  • 高分子学会   九州地区高分子若手研究会 幹事  

    2019年4月 - 2020年3月   

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    団体区分:学協会

  • 繊維学会   繊維学会西部支部 第2回若手講演会 世話人  

    2018年1月   

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    団体区分:学協会

社会貢献活動 【 表示 / 非表示

  • 宮崎県理科・化学教育懇談会 役員

    役割:企画, 運営参加・支援

    2019年10月1日 - 現在