要点

• 大規模数値計算を行い、カイラルスピン液体^[用語1]が熱揺らぎに対して安定に存在することを見出した
• スピン液体中に潜む自然界には存在しない粒子「エニオン^[用語2]」の統計的な性質の違いに応じて異なるタイプの相転移^[用語3]を示すことを解明
• 特異な統計性を持つ非可換エニオンを用いた量子計算への応用に期待

概要

東京工業大学大学院理工学研究科の那須譲治助教と東京大学大学院工学系研究科の求幸年（もとめ　ゆきとし）准教授は、キタエフ（Kitaev）模型^[用語4]と呼ばれる理論模型に対して量子モンテカルロ法^[用語5]による大規模な数値計算を行うことにより、低温のカイラルスピン液体と高温の常磁性状態との間に、ある温度で相転移が存在することを明らかにした。またカイラルスピン液体中に存在する特殊な粒子であるエニオンの統計性^[用語6]の変化に呼応して、相転移の性質も大きく変化することを発見した。

この研究結果は、非可換エニオンを持つカイラルスピン液体が絶対零度以外でも安定に存在することを明確に示しており、非可換エニオンを用いるトポロジカル量子計算^[用語7]への応用が期待される。

研究成果は8月21日発行の米国物理学会誌「フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters）誌」に掲載された。

研究の背景

多くの物質は低温においてはその構成粒子が整然と並んだ固体になるが、温度を上げていくとバラバラになり、液体を経て気体へと変化を遂げる。磁性体でも同様に、電子の持つ小さな磁石であるスピンの向きが秩序立って整列した強磁性体などの磁気秩序^[用語8]状態から温度を上げていくと、スピンの向きがバラバラな常磁性状態となる。

この常磁性状態は時間反転対称性^[用語9]を持っているが、低温の磁気秩序 状態では、時間反転対称性が自発的に破れている。すなわち従来の磁性体では、時間反転対称性の自発的な破れには磁気秩序が伴うというのが常識だった。

しかし、分数量子ホール効果でノーベル賞を受賞したロバート・ラフリンらは1987年に、時間反転対称性が破れているにも関わらず、磁気秩序を伴わない奇妙な量子状態としてカイラルスピン液体を提唱した。この状態中のスピンはその向きがバラバラであるにもかかわらず互いに強く影響を及ぼし合っているドロドロした液体的な状態にある。

一方で、常磁性状態はスピン同士が影響しあわずにバラバラになっているスピンの気体であり、カイラルスピン液体とは本質的に異なる状態である。さらに、このカイラルスピン液体の中にはエニオンと呼ばれる特殊な粒子が潜んでいることが指摘された。

自然界に存在する粒子はすべて、その統計性によってフェルミオンかボソンのどちらかに分類されるが、エニオンはそれらとは全く異なる統計性を持つ特殊な粒子である。このエニオンを用いれば、エラーを起こしづらいとされるトポロジカル量子計算を用いた量子コンピュータが可能となるという指摘がなされており、多くの研究者の興味を集めている。

しかし、これまでにカイラルスピン液体の絶対零度の性質に関して多くの研究がなされてきたが，応用面でも重要となる温度を上げたときの性質に関しては謎のままだった。特に、カイラルスピン液体の相転移は通常の磁性体の相転移と同じものなのか，それとも水が水蒸気に変わるときのような気体・液体転移と同じものなのかは興味深い問題として残されていた。

研究成果

東工大の那須助教と東大の求准教授は、Kitaev模型と呼ばれる理論模型（図1左図）に対して量子モンテカルロ法を用いた大規模な数値計算を行うことで、温度を上昇させたときのカイラルスピン液体の性質を調べた。

その結果、カイラルスピン液体状態が温度による熱揺らぎに対して安定に存在することを見出した。また、ある臨界温度で相転移を起こし、高温の常磁性状態へ変化する様子も明らかにした（図1右図）。この相転移温度の前後でスピンの向きは整列しないにもかかわらず、時間反転対称性が自発的に破れることになる。

このようなカイラルスピン液体状態を記述するKitaev模型という理論模型には興味深い特徴がある。エニオンには可換エニオンと非可換エニオンという2種類の統計性が異なるものが存在するが、スピン間の相互作用の強さを変えることで、カイラルスピン液体の中に存在するエニオンの統計性を変化させることができるのである。

このエニオンの性質の変化がカイラルスピン液体の性質にどのような影響を与えるかを明らかにするため、特に相転移の性質を詳しく調べた。その結果、エニオンの統計性の変化に伴って、カイラルスピン液体と常磁性の間の相転移の性質も大きく変化することがわかった（図1右図）。可換エニオンを持つカイラルスピン液体の場合は通常の磁性体における強磁性から常磁性への相転移と類似した連続的な変化（二次の相転移^[用語10]）になる。

一方で、非可換エニオンを持つカイラルスピン液体の場合は、水から水蒸気へ変化する際に起こる気体・液体相転移と類似した不連続な変化（一次の相転移^[用語10]）になることを見出した。

このようなエニオンの統計性の変化は、相転移の性質以外にも現れる。特に非可換エニオンを持つカイラルスピン液体には新奇な効果が期待される。今回の研究では温度勾配がある場合に、温度勾配の方向と垂直方向に熱の流れが発生する現象である熱ホール効果を計算し、相転移温度以下でこの効果が生じることを見出した。一方で、可換エニオンを持つ場合には熱ホール効果は生じないことも示した。

図1. 左図：Kitaev模型が定義された拡張された蜂の巣格子。右図：Kitaev模型の有限温度相図。

今後の展開

非可換エニオンを持つカイラルスピン液体が絶対零度以外でも安定して存在することを明らかにしたことで、非可換エニオンを演算要素として用いるトポロジカル量子計算への応用が期待される。また、この状態における熱ホール効果の振る舞いを明らかにしたことで、今後の実験研究が活性化することが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Thermodynamics of Chiral Spin Liquids with Abelian and Non-Abelian Anyons
著者 :	Joji Nasu and Yukitoshi Motome
DOI :	10.1103/PhysRevLett.115.087203

東京工業大学　原子炉工学研究所が、6月3日、大岡山北3号館1階多目的ホールで、研究交流･発表会を開催しました。

原子炉工学研究所は現在、第2期中期目標･計画に従って、4つの重点研究分野、及び、それらを支える基礎･基盤技術分野の研究を組織的に推進しています。また、2011年の東京電力福島第一原子力発電所事故以降は、除染技術の研究開発をはじめ、福島復興に向けた取り組みにも積極的に貢献しています。昨年度からは、研究所の資源である実験装置、ソフトウエア、データベース等を基盤とした、他大学･研究機関との共同研究をバックアップするため、「共同利用･共同研究」の制度をスタートさせています。学界･産業界･社会のニーズに広く応えるための新しい研究体制を整備しました。

今回の研究交流･発表会では、昨年度の「共同利用･共同研究」課題の成果、及び所内各研究室の研究活動が披露されました。参加人数は、学外からの参加者も含め61人でした。

矢野所長による開会挨拶

矢野豊彦所長による開会挨拶、及び、研究所の近況報告に引き続き、まず第1部では、研究所の代表的なミッション研究が紹介されました。物質工学部門の竹下健二教授より「東電福島第一原発事故の終息に向けた先進的廃棄物処理･減容技術」、続いて物質工学部門の小原徹教授より「エネルギー･資源･環境問題の解決に資する革新的原子力システム」と題する講演がありました。それぞれ、原子力に関わる喫緊の課題に対する対応、及び、今後の長期的な人類の生存に関わる原子力の役割が議論されました。

休憩をはさみ、第2部として共同利用･共同研究の学外共同研究者による2件の招待講演がありました。札幌医科大学医学部の染谷正則講師よる「DNA修復の分子メカニズムに基づく放射線感受性・癌罹患性予測の展望」に対しては、国民の関心が極めて高いガンの発生･治療に関わるテーマでもあり、会場との間で活発な質疑応答が交わされました。日本原子力研究開発機構大洗研究開発センターの井上利彦研究員よる「制御棒吸収材料B4Cの照射後試験」についても、高速炉開発を含む今後の原子力技術の発展に不可欠な材料開発の観点から、いくつかの専門的で高度な議論が交わされました。

これらの講演の終了後、第3部として所員による共同利用･共同研究課題及び原子炉工学研究所各研究室の研究活動に関するポスターセッションが開催され、学外者も含めた活発な意見交換が行われました。ポスターの発表件数は27件でした。最後に情報交換会に移行し、盛会のうちに閉会となりました。

ポスターセッションでの質疑応答

要点

• 高品質のビスマス薄膜を作成し、その電気的性質を測定
• 半金属であるビスマスが薄膜化によって半導体になる理論を実証
• 次世代の高速デバイス開発へ新たな道

概要

東京工業大学大学院理工学研究科の平原徹准教授は、東京大学の長谷川修司教授、自然科学研究機構分子科学研究所の田中清尚准教授、木村真一准教授（現大阪大学教授）、お茶の水女子大学の小林功佳教授らと共同で、半金属^[用語1]のビスマスを薄膜にするとその電気的な性質を半導体に変えられることを実証した。

高品質のビスマス薄膜を作成して、分子科学研究所の放射光施設UVSORで偏光可変の角度分解光電子分光^[用語2]測定を行い、ビスマス薄膜が半導体になっていることを確認した。さらに、理論では予想されていなかった表面や界面の電子が関係した新しい現象も発見した。これらの成果により、次世代高速電子デバイス開発に新たな道を拓くことが期待できる。

ビスマスは近年盛んに研究されているグラフェンなどと同様に、シリコンなどの半導体中の電子より高速に移動できるディラック電子^[用語3]を有している。しかし、このディラック電子をデバイス応用する上ではエネルギーギャップ^[用語4]が開いた半導体にすることが必要になる。1960年代にビスマスを薄膜にすることで半導体化できることが理論的に予想されたが、これまで実験的にははっきりとした結論は出ていなかった。

本研究成果は9月3日に米国物理学会誌「フィジカルレビューレターズ（Physical Review Letters）」で公開された。

研究の背景

高速に動作するデバイスの作製には、用いる物質中の電子の速度が速い（移動度が大きい）ことが必要である。最近、通常の電子と異なったエネルギーと運動量の分散関係を持つディラック電子が大きな移動度を持つ電子として注目され、研究が活発に行われている。例えば、ディラック電子を持つ物質として知られている炭素一層からなるグラフェンの電子の移動度は、シリコンのおよそ10倍の15,000cm²/Vs（平方センチメートル毎ボルト毎秒）である。

ビスマスは固体中でディラック電子が存在することが分かった最初の物質で、1960年代から研究されてきた。グラフェンの研究が盛んになったのは2005年以降であることを考えると、その歴史は非常に古いことが分かる。

デバイス動作のための重要な条件の一つは、その電気的性質がバンドギャップを有する半導体であることである。しかし、上記のグラフェンもビスマスも半金属でバンドギャップがないために、何らかの方法で半導体にしなければならない。

1967年に旧ソ連の理論物理学者V. B. サンドミルスキー（V. B. Sandomirskii）は、ビスマスを30nm（ナノメートル）程度の厚さの薄膜にし、量子サイズ効果^[用語5]を利用することで、半導体に変えられる（半金属半導体転移、図1）ことを予想した。しかし、今日まで約50年間多くの研究が行われたものの、実際にビスマス薄膜で半金属半導体転移が起きているという明確な実験証拠はなかった。

図1.

ビスマス薄膜の半金属半導体転移（理論）。3次元の厚いビスマスは（a）のような半金属だが、30nm程度の厚さの薄膜にすると（b）のような半導体になることが予想された。

研究成果

今回、東工大の平原准教授らの研究グループは、高品質のビスマス薄膜を作成し、その電気的特性を分子科学研究所のシンクロトロン放射光施設UVSORで測定した。UVSORの偏光可変の低エネルギー角度分光電子分光（図2）装置を用いることにより、これまで報告例がほとんどなかったビスマス薄膜の内部の電子状態を高精度で観測することに成功した。

図2. 角度分解光電子分光法の原理

その結果、当初の理論よりも膜厚が厚い、70nmの厚さの薄膜でエネルギーギャップが開き、半導体になっていることを実証した（図3）。一方、10nm以下のビスマス超薄膜は、理論の予想と反してエネルギーギャップがない半金属であることも分かった。これは、厚さ10nm以下では表面・界面の効果が重要であり、これを考慮した新たな理論が必要なことを示している。

図3.

測定された実験データ。（a）はエネルギーと運動量のイメージを示しており、（b）が光電子分光強度のスペクトル。内部状態はフェルミ準位（EF）にピークがなく半導体だが、表面状態はフェルミ準位を横切る金属である。内部状態は通常は測定条件（光エネルギーや光の偏光）を変えるとピーク位置が変化するが、薄膜では量子サイズ効果により測定条件を変えてもピーク位置が変化しない。

今後の展開

今回の研究は、量子サイズ効果を利用してビスマスの電気的性質を制御できることを明確に示したものである。そして厚さが10nm以下の極薄の薄膜では表面や界面に存在している電子が、物質の内部の電子の性質に大きな影響を及ぼしていることも分かった。

今後はビスマス内部の高移動度のディラック電子を利用した高速デバイスの開発、さらにビスマスの表面や界面に存在する電子を利用した極薄ナノデバイス開発という応用研究へと進展することが期待できる。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Role of Quantum and Surface-State Effects in the Bulk Fermi-Level Position of Ultrathin Bi Films
著者 :	T. Hirahara, T. Shirai, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, S. Hasegawa, and K. Kobayashi
DOI :	10.1103/PhysRevLett.115.106803

フロンティア研究機構大隅良典栄誉教授がNHK Eテレの科学番組、「サイエンスZERO」のオートファジー特集に出演します。

撮影の様子

大隅教授は、細胞が自身の一部を分解したり、内部の不要物を除去し、侵入者を排除して、健全な細胞を維持するオートファジー現象を世界で初めて肉眼で観察することに成功しました。

オートファジーは細胞のリサイクルシステムで、体の恒常性を維持する機能を持っており、アルツハイマー病などの神経変性疾患、癌、加齢に伴う病気などを治療する医療への応用が期待されています。

大隅教授は、オートファジーに関わる遺伝子群を明らかにし、その分子機構を解明しました。その研究が評価され、今年、ガードナー国際賞や国際生物学賞を受賞しています。

番組では、サイエンス作家の竹内薫さんと女優の南沢奈央さんの進行で、VTRやコンピュータグラフィックスを駆使してオートファジーについてわかりやすく解説しておりますので、ぜひご覧ください。

フロンティア研究機構大隅良典栄誉教授

• 番組名
  NHK Eテレ サイエンスZERO
• タイトル
  「長寿のカギ！？　細胞内のリサイクル“オートファジー”」
• 放送日
  2015年9月13日（日）　23:30～24:00
  （再）　2015年9月19日（土）　12:30～13:00
• 番組サイト
  「長寿のカギ！？　細胞内のリサイクル“オートファジー”」

要点

• 海産性の油脂高生産藻類ナンノクロロプシスで、蓄積する脂質の量と脂肪酸組成を改変する技術を開発
• ナンノクロロプシスのリン欠乏に応答した遺伝子発現制御の仕組みが、種の異なる藻類クラミドモナスと類似することを見出し、その仕組みを活用
• リン欠乏に応答する遺伝子プロモーターを種々の脂質合成遺伝子とセットでナンノクロロプシスに導入することで、様々な種類の有用脂肪酸の生産へ応用することを期待

概要

東京工業大学大学院生命理工学研究科の岩井雅子CREST研究員、太田啓之生命理工学研究科/地球生命研究所教授らは、海産性の油脂高生産藻類として注目されるナンノクロロプシス^[用語1]を用い、油脂の蓄積量と油脂中の脂肪酸組成を改変する技術を開発した。

多くの藻類では窒素欠乏時に油脂を蓄積することが知られている。その一方、窒素欠乏条件では藻類の生育が著しく阻害されることから、有用油脂の生産においては、生育しながら油脂を貯める手法の開発が課題となっている。岩井らは、高密度な細胞培養が可能で細胞中に油脂だけを多量に貯める海産性の藻類ナンノクロロプシスで、リンの欠乏条件では窒素欠乏条件と比べ、生育を維持しながら油脂を高蓄積することを発見した。さらに、リン欠乏時に、細胞の膜中のリン脂質を糖脂質に転換する緑藻クラミドモナス^[用語2]と同様な仕組みがナンノクロロプシスで働いていることも見出した。そこで緑藻クラミドモナスから取得したリン欠乏応答性の糖脂質合成遺伝子プロモーター^[用語3]と油脂合成遺伝子を結合してナンノクロロプシスに導入した結果、脂質の蓄積を増強させるとともに、脂肪酸の組成を改変することに成功した。今後、リン欠乏応答プロモーターと種々の脂質合成遺伝子とをセットで藻類に導入することで、様々な高付加価値の油脂が工業規模で生産できると期待される。

※

この研究は太田教授が科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（CREST） 「藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出」研究領域（研究総括：松永是（東京農工大学　学長））における研究課題「植物栄養細胞をモデルとした藻類脂質生産系の戦略的構築」の一環として、東工大大学院生命理工学研究科の下嶋美恵准教授、堀孝一CREST研究員と佐々木結子地球生命研究所特任助教との共同で行った。成果の内容は9月7日発行のスイス科学雑誌「フロンティアズ　イン　マイクロバイオロジー（Frontiers in Microbiology）」に掲載された。

研究の背景と経緯

多くの藻類は窒素欠乏などの栄養欠乏条件下でトリアシルグリセロール（TAG；油脂^[用語4]）を蓄積することが知られており、近年、藻類が生産するTAGやTAGに含まれる脂肪酸が化学工業用油脂やバイオ燃料の原材料として注目されている。藻類油脂をこのような原材料として活用するためには、利用目的に合った油脂や有用脂肪酸などを大量に生産させる技術の開発が必要となる。しかしながら、本来光合成膜^[用語5]や細胞膜などに存在しない有用脂肪酸や油脂を大量に生産させようとすると、それらが光合成膜などに蓄積し、光合成を阻害するという問題がある。これを回避するには、適切な条件下で有用脂肪酸や油脂を生産させながら、それを細胞内に油滴として高蓄積させることが有効である。しかし、一般的に藻類の油脂生産の条件とされる窒素欠乏条件では、光合成や新規脂肪酸合成が抑制され、細胞がほとんど増殖しないため、このような手法を用いることは難しい。

岩井研究員らは、以前の研究で、緑藻クラミドモナスを増殖させながら光合成の場である葉緑体を維持してTAG蓄積をできる条件を探索し、リン欠乏条件では窒素欠乏条件ほど劇的な細胞増殖抑制は見られないことを見出した。さらにその条件下でのTAG蓄積を遺伝子操作によって強化することに成功した。しかし、クラミドモナスの場合、栄養欠乏時にTAGだけでなくデンプンも蓄積し、また高密度での細胞培養が難しいため、藻類での効率的な油脂生産を目指すためには、より高密度で細胞培養ができ、細胞中に油脂だけを多量に貯めることができるナンノクロロプシスなどの油脂高生産藻での生産技術の開発が期待されていた（図1）。

図1.

藻類の栄養欠乏による油脂の蓄積と油脂高生産藻類を用いた生産技術開発
MGDGは光合成を行う葉緑体に最も主要な膜脂質。窒素欠乏時の藻類では、TAGが蓄積する一方、MGDGなど光合成の膜脂質が減少し、光合成が抑制される。藻類で利用目的に応じた有用脂質を工業規模で生産するためには、油脂の生産性に優れた藻類を活用して、光合成を維持したまま有用な油脂を高生産する技術の開発が必要となる。

研究内容

岩井研究員らはナンノクロロプシスでの窒素欠乏条件とリン欠乏条件の比較（図2）から、ナンノクロロプシスのリン欠乏下では光合成の場である葉緑体を維持したままTAGを蓄積することを見出した。そこでクラミドモナスなどの藻類や植物がリン欠乏に適応する際に起こすリン脂質から糖脂質への膜脂質の転換が、クラミドモナスとは異なり二次共生藻^[用語6]に属するナンノクロロプシスでも機能していると予測し、リン欠乏時の膜脂質の変動や膜脂質転換に関わる遺伝子の応答を調べた。その結果、ナンノクロロプシスでもリン欠乏時に糖脂質合成酵素遺伝子の発現が誘導され、リン脂質と糖脂質が置き換わることでリン欠乏に適応することを見出した。

図2.

ナンノクロロプシス培養の写真
窒素欠乏条件では細胞の増殖が著しく抑制されているのに対して、リン欠乏では通常条件と同様に緑が濃くなり、細胞が増殖して葉緑体が発達しているのが判る。

図3の通常培養条件に示すように、リンを十分含む条件では葉緑体や細胞の膜脂質（図のMGDGやDGDG、PCなど）が細胞に含まれる脂質の多くを占めるが、リン欠乏条件ではTAGの含量が著しく増大する。また、リン欠乏条件ではTAGの増大と同時に葉緑体の糖脂質の一つであるSQDGが増加しており、別の実験からSQDGの合成にかかわるSQD2遺伝子の発現が顕著に誘導されていることも分かった。そこで、その仕組みを活用して新規脂肪酸を合成させながらTAG蓄積を増強するため、先のクラミドモナスの研究で取得したリン欠乏条件下で発現上昇するクラミドモナスSQDG合成遺伝子（CrSQD2）のプロモーター「pCrSQD2」^[用語7]とクラミドモナスのTAG合成酵素「CrDGTT4」の利用を試みた。pCrSQD2とCrDGTT4のセットをナンノクロロプシスに導入したところ、遺伝子を導入した形質転換株では、CrDGTT4遺伝子を導入していない比較対照株（コントロール株）と比べ、リン欠乏条件下でのTAG蓄積がさらに増加した（図3形質転換株参照）。またTAG中の脂肪酸にはCrDGTT4が基質として好むオレイン酸（C18:1(9)＝炭素数が18で二重結合を9位の位置に一つ持つ脂肪酸）がコントロール株の約2倍含まれていた（図4）。これらの結果は、二次共生藻として緑藻とは分類上も全く異なる油脂高生産藻ナンノクロロプシスで、緑藻クラミドモナス由来のリン欠乏応答性プロモーターを用いることによりTAG蓄積の増強と脂肪酸組成の改変ができることを示している。

またこの結果は、リン欠乏条件に適応する仕組みそのものが種の異なる緑藻と二次共生藻の間で広く保存されていることを示しており、進化的な観点からも興味深い。

図3.

細胞中に含まれるTAGと膜脂質の量
全て培養4日目。MGDG、DGDG、SQDGは葉緑体の膜に含まれる糖脂質。PG、PE、PC、PS、PIは葉緑体や細胞の膜に含まれるリン脂質。DGTSは藻類細胞の膜に特有のベタイン脂質。リン欠乏時に細胞中のリン脂質が減少し、TAGやSQDG、DGTSが増加する。特にTAGの増大が顕著で、形質転換株ではコントロール株に比べその増大がさらに強化されているのが判る。

図4.

形質転換株とコントロール株のそれぞれの脂質に含まれるオレイン酸（C18:1）の量（培養4日目）
オレイン酸は通常培養条件では細胞中にあまり見られないが、リン欠乏時にTAGに蓄積する。形質転換株のオレイン酸はコントロール株の更に2倍に増加した。

今後の展開

本研究により、海産性の油脂高生産藻ナンノクロロプシスで、ナンノクロロプシスと分類上全く種が異なる緑藻クラミドモナスのリン欠乏応答プロモーターを用いてTAG生産の増強と脂肪酸組成の改変ができることが明らかになった。ナンノクロロプシスは他の藻類に比べ、細胞に多量の油脂を蓄積すると同時に、高密度での培養が可能であることが知られており、また海産性藻類であることから海水を用いて培養できる。リン欠乏応答性プロモーターを機能の異なる種々の脂質合成遺伝子と結合して用いることで、ナンノクロロプシスで様々な有用脂肪酸を含む油脂を大量に生産できることが期待される。今回そのプロモーターを利用した糖脂質合成遺伝子SQD2は藻類に広く保存されることが分かっており、他の藻類で同様な手法が活用できることも期待される。

論文情報

掲載誌 :	Frontiers in Microbiology
論文タイトル :	Manipulation of oil synthesis in Nannochloropsis strain NIES-2145 with a phosphorus starvation-inducible promoter from Chlamydomonas reinhardtii
著者 :	Masako Iwai, Koichi Hori, Yuko Sasaki-Sekimoto, Mie Shimojima and Hiroyuki Ohta
DOI :	10.3389/fmicb.2015.00912

大学院生命理工学研究科の木村宏教授が、ロバート・フォイルゲン賞（Robert Feulgen Prize）を受賞しました。

木村宏教授（中央）

ロバート・フォイルゲン賞は、国際組織化学学会（The Society for Histochemisty）により、組織化学・細胞化学分野で新規の方法の開発や新規の発見を行った研究者に与えられる賞で、1971に創設されました。日本人で初の受賞です。

木村教授は、第57回国際組織化学学会シンポジウム（57th Symposium of the Society for Histochemistry/24th Wilhelm Bernhard Workshop on the Cell Nucleus）で受賞講演を行いました。

受賞テーマ

生きた細胞内における蛋白質翻訳後修飾の可視化法の開発

受賞理由

細胞内の多くの蛋白質は、リン酸化、アセチル化、メチル化などの翻訳後修飾をうけることで、蛋白質間相互作用や酵素活性などの機能が制御されます。これらの翻訳後修飾を細胞レベルで検出するために、特定の修飾に特異的な抗体による免疫染色が用いられます。しかしながら、通常の免疫染色では、細胞や生体サンプルを化学固定する必要があるため、生きた細胞を用いた解析は不可能でした。木村教授らは、モノクローナル抗体由来のプローブを用いて、生きた細胞内で内在性蛋白質の翻訳後修飾を可視化し、その動態計測を行う方法を世界で始めて開発しました。木村教授らが開発した一つの方法は、抗体から抗原結合断片を調製し、蛍光標識した後に、細胞に導入する方法です。もう一つは、抗体の抗原結合部位をコードする遺伝子をクローニングして、蛍光蛋白質との融合蛋白質として発現させる方法です。これらの方法により、培養細胞中のクロマチンの主要成分であるヒストン蛋白質のリン酸化、アセチル化、メチル化、及び、転写を担う酵素であるRNAポリメラーゼIIのリン酸化の動態を明らかにしました。また、マウスやショウジョウバエの初期胚におけるヒストン蛋白質のアセチル化動態も解明しました。

• ロバート・フォイルゲン賞

要点

• 液体金属であるガリウムナノ粒子のサイズを繰り返し変えられるプロセスを開発した。
• 液体ガリウムナノ粒子のサイズ変化に応じて表面プラズモン共鳴吸収を制御できた。
• 用途に応じて自由に物性を制御できるプラズモニック材料の開発が期待される。

概要

JST戦略的創造研究推進事業において、東京工業大学の山口章久特任助教と彌田智一教授らは、液体金属^[用語1]であるガリウム^[用語2]ナノ粒子のサイズを可逆的に変化させるプロセスを開発し、金属ナノ構造体が光と相互作用して、その光を吸収する「表面プラズモン共鳴吸収^[用語3]」を制御することに成功しました。

表面プラズモン共鳴吸収を制御すると、ナノ回路に光を伝えたり、波長よりもはるかに小さな空間に光を閉じ込めることができます。金、銀などの金属ナノ構造体は、表面プラズモン共鳴を利用して光を操るプラズモニック材料^[用語4]や、電場増強効果^[用語5]による一分子レベルの計測装置への展開が期待され、用途の開発が進められています。特性を決める金属ナノ構造体のサイズ、形状、配列など形態をより自由に変化させることは、重要な課題の1つです。熱や圧力など外部刺激や化学的処理を与えて、作製した金属ナノ粒子のサイズや形状を変化させる方法はありましたが、元に戻すことは困難でした。

研究グループは、形状を制御しやすく、紫外光領域のプラズモニック材料として注目されるガリウムに着目しました。超音波照射により液体金属がどのような挙動を示すのか、その詳細は分かっていませんでしたが、超音波照射による液体ガリウムのナノ粒子化と油と水の乳化^[用語6]との類似性を明らかにしました。また、水と油の乳化と同様に分裂と融合のバランスを制御することにより、液体ガリウムナノ粒子のサイズを変化させることに成功しました。変化させたサイズを元に戻すことも可能で、サイズの変化に伴い、液体ガリウムナノ粒子の紫外光領域における表面プラズモン共鳴吸収波長が変化することも確認できました。

本研究成果により、用途に応じて自由に物性を制御できるプラズモニック材料の開発が期待されます。本研究成果は、ドイツ化学誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版で近日中に掲載されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

研究の背景と経緯

金、銀などの金属ナノ構造体は、表面プラズモン共鳴を利用したプラズモニック材料や、電場増強効果による一分子レベルの計測装置への展開が期待されています。その特性を決定するのが、金属ナノ構造体のサイズ、形状、配列などの形態です。金や銀では、作製した金属ナノ粒子のサイズや形状を、熱や圧力などの外部刺激や化学処理で変化させる方法が知られています。

近年、金や銀より容易に形状を変えられる金属材料として注目されているのが、室温に近い融点を持つガリウムやガリウム合金などの液体金属です。超音波照射でガリウム液滴からナノ粒子を形成する技術も開発され、液体ガリウムナノ粒子は、金、銀に代わる紫外光に応答するプラズモニック材料として期待されています。生体分子の多くは紫外光領域に吸収を持つことから、紫外光に応答するプラズモニック材料の開発により、さらに高感度な一分子レベルでの計測が可能になるからです。

しかし、変化させたサイズや形状を元に戻す技術はこれまで確立されておらず、さらに応用先を拡大するために、液体金属の形状をナノ単位でより自由に調節する技術が望まれていました。

研究の内容

研究グループは、形状を制御しやすいという、液体金属の液体としての特徴に着目しました。ガリウム液滴に超音波を照射すると、超音波の振動で破砕され、分裂と融合を繰り返しながら徐々に小さくなり、最終的にナノ粒子化します（図1）。形成された液体ガリウムナノ粒子は、有機溶媒中に保護剤として溶解したドデカンチオール^[用語7]とガリウム表面に形成する自然酸化膜（厚さ約2ナノメートル）により安定化されます。強度、温度、時間依存性など超音波照射条件が粒子サイズに及ぼす影響を調べた結果、1）2時間程度の長時間照射により、超音波強度に関わらず同じ粒子サイズになること、2）高温ではバランスが融合に傾き、より大きなナノ粒子（20℃では35ナノメートル、50℃では60ナノメートル）を形成することが分かりました。これらの結果は、超音波照射で水と油を乳化させる状況と類似しています。水と油のエマルション^[用語6]滴の分裂と融合のバランスでエマルション滴のサイズが決まるように、液体ガリウムナノ粒子の分裂と融合のバランスが、粒子のサイズを決める要因と考えられます。

図1. 超音波照射によるガリウムナノ粒子の形成

（a）

ガリウム液滴への超音波照射による液体ガリウムナノ粒子の形成。

（b）

走査型電子顕微鏡で観察すると、平均35ナノメートルのナノ粒子が形成されていることが分かる。

（c）

透過型電子顕微鏡で観察すると、形成された液体ガリウムナノ粒子の表面に酸素および炭素が存在し、保護剤であるドデカンチオールと液体ガリウムナノ粒子表面の自然酸化膜によりナノ粒子が安定化されていることが分かる。

これらの知見をもとに、1）液体ガリウムナノ粒子を安定化するドデカンチオールの添加量、2）自然酸化膜を除去してナノ粒子の融合を促す塩酸の濃度、3）温度を調節することで、粒子の分裂と融合のバランスを制御した結果、粒子サイズをナノメートル単位で可逆的に制御することに成功しました（図2a、b）。さらに、この液体ガリウムナノ粒子のサイズ変化に伴い、紫外光領域における表面プラズモン共鳴吸収波長が変化することを確認しました（図2c）。

図2. 液体ガリウムナノ粒子の可逆的サイズ制御

（a）

保護剤および塩酸の添加と温度調節による、超音波照射下における液体ガリウムナノ粒子の融合と分裂の可逆的制御のイメージ図。融合と分裂のバランスが、融合に傾くとより大きな粒子が形成され、分裂に傾くと小さな粒子が形成される。

（b）

液体ガリウムナノ粒子の可逆的なサイズ変化。添加する保護剤および塩酸の量と温度の条件を変えることで、粒子サイズが35ナノメートルと60ナノメートルに繰り返し変化した。

（c）

液体ガリウムナノ粒子のサイズ変化に伴う表面プラズモン共鳴吸収の変化。粒子サイズを変化させることによって吸収する波長を制御できるため、応用先が広がることが期待される。

今後の展開

今回開発した、液体ガリウムナノ粒子のサイズ制御技術により、金、銀など固体金属では困難だった、可逆的でより自由な形態制御が可能となり、用途に応じて光学特性を操るような新しいプラズモニック材料への展開が期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	Reversible Size Control of Liquid Metal Nanoparticles Under Ultrasonication （超音波照射下における液体金属ナノ粒子の可逆的サイズ制御）
著者 :	Dr. Akihisa Yamaguchi, Yu Mashima, Prof. Dr. Tomokazu Iyoda
DOI :	10.1002/anie.201506469

要点

• TORタンパク質が微細藻類のオイル生合成をON/OFFすることを発見
• TORタンパク質活性を抑制しオイル生合成の簡便な誘導に成功
• 微細藻類を用いたオイル生産実現に向けた基盤技術となる

概要

東京工業大学資源化学研究所の今村壮輔准教授と田中寛教授らの研究グループは、ラパマイシン^[用語1]の標的（TOR＝target of rapamycin^[用語2]）タンパク質が、微細藻類におけるオイル生合成のON/OFFを決定付ける因子であることを発見した。藻類は一般に、培養液中の栄養量を減少させると、オイルを合成・蓄積する。そこで、窒素などの栄養源を感知するTORタンパク質に着目、オイル生合成との関わりを研究した。その結果、栄養源が豊富な条件においても、TOR の活性を人為的に阻害すると、オイルの生合成が引き起こされることを突き止めた。

この発見は、微細藻類におけるオイル生合成の中枢調節機構を明らかにしたといえ、微細藻類全般に当てはまると考えられる。またTOR 活性阻害によってオイルを蓄積させる方法は、培養液から栄養源を取り除く従来法に比べて簡便であり、微細藻類を用いたバイオ燃料生産実用化の基盤技術になると期待される。

成果は9月8日、オランダの分子生物科学誌「プラント・モレキュラー・バイオロジー（Plant Molecular Biology）」オンライン版に掲載される。

背景

持続可能なエネルギー生産は、地球温暖化対策や化石燃料の枯渇などの理由により、急務となっている。中でも、微細藻類を用いたオイル生産が近年注目を集めている。その理由は単位面積あたりのバイオマス生産性が高い、食糧と競合しない、などが挙げられる。しかし、微細藻類を用いた商業的なオイル生産のためには、高い生産性を有する藻類の育種が必須であるが、オイルの生合成を調節する基本的な仕組みは不明な点が多く、藻類育種の障害となっていた。

研究の経緯

微細藻類は一般に、培養液中の窒素などの栄養源の枯渇条件でオイルを合成する。今村准教授らの研究グループは、窒素などの栄養源を感知するタンパク質に着目した。仮に栄養源を感知するタンパク質がオイルの生合成に関与しているならば、その活性を人為的に操ることにより、オイル生合成を任意のタイミングで誘導できるのではないかと考えたからだ。

そのタンパク質候補として選んだのが、TORである。TORは酵母やヒトにおいて、窒素を含む種々の栄養量の感知とその応答に中心的な働きをしていることが知られているタンパク質リン酸化酵素である。そのため、藻類でも同様な機能を有し、オイル生合成に関わっていのではないかと考えた。

研究成果

同研究グループはまず、TORの活性をラパマイシンにより阻害した条件をつくり、窒素が欠乏した条件と比べ、同様の応答が引き起こされるかについて解析した。その結果、培養液中に窒素源が豊富に存在しているにも拘らず、ラパマイシンを培養液に添加すると、窒素欠乏時に検出される遺伝子の発現が観察された。

このことより、TORを不活性化することによって、栄養源が豊富な培養条件においても、オイル生合成が誘導される可能性が考えられた。その可能性を検証する実験を行った結果、ラパマイシン添加によるTORの不活性化により、オイルの蓄積が誘導されることが明らかになった（図1）。

図1. TOR阻害によるオイル蓄積の誘導

上段は明視野、下段は中性脂質を特異的に認識する色素で染色した画像。矢印で示した緑色のドット上のシグナルが藻類内で蓄積した中性脂質。赤色は葉緑体の自家蛍光。バーは2μmを示す。

オイルの中でも、バイオディーゼルの原料となるトリアシルグリセロールは、ラパマイシン非添加条件に比べて約9倍に上昇した。この様にTORの活性をラパマイシンにより人為的に阻害することにより、藻類オイルの生合成を任意のタイミングで誘導することに成功した。

栄養が充足した条件でTORは、細胞増殖を促進する中心的な機能を担っていることが知られている。従って、TORは栄養源の有無により、細胞増殖を促進するのか、オイル生合成を誘導するのかを切り替える"スイッチタンパク質"であることが考えられる（図2）。

図2. TORによるオイル生合成のON/OFF

ラパマイシン非存在下（栄養源が豊富な条件）では、TORはオイルの生合成に対して抑制的に、細胞増殖に対しては促進的に作用している。しかし、ラパマイシンによりTORの活性が阻害されると、オイル生合成への抑制が解除され、オイルの生合成が誘導されると考えられる。

この発見は微細藻類におけるオイル生合成の中枢調節機構を明らかにしたといえる。さらに、このTORの不活性化によるオイル蓄積が、単細胞紅藻シゾン^[用語3]と単細胞緑藻クラミドモナス^[用語4]においても観察されたことから、真核藻類一般で引き起こされる現象であると考えられる。

今後の展開

TORの活性をラパマイシンにより人為的に阻害し、オイルを蓄積させる方法は、細胞培養液に化合物を添加するだけである。従来行われてきた、培養液から栄養源を除く方法に比べて非常に簡便だ。しかし、TOR の活性阻害はオイル蓄積のみならず細胞の増殖阻害も引き起こすため（図2）、バイオマス生産性という観点からは解決すべき課題である。

今後は、TORを介したオイル生合成のさらに詳しい分子機構を明らかにし、それらの情報を基にして、細胞増殖とオイル生産を両立させた藻類株の育種を試みる。このように、今回の成果は、藻類を用いたオイル生産実現に向けた基盤技術となることが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Plant Molecular Biology
論文タイトル :	Target of rapamycin (TOR) plays a critical role in triacylglycerol accumulation in microalgae
著者 :	Sousuke Imamura, Yasuko Kawase, Ikki Kobayashi, Toshiyuki Sone, Atsuko Era, Shin-ya Miyagishima, Mie Shimojima, Hiroyuki Ohta, Kan Tanaka
DOI :	10.1007/s11103-015-0370-6

要点

• 光の照射により一酸化炭素ガスを出す細胞内システムを開発
• 分子カゴから放出された一酸化炭素により、炎症抑制分子の活性化機構を解明
• 分子カゴをスイッチとする新しい細胞研究手法を確立

概要

東京工業大学大学院生命理工学研究科の上野隆史教授と藤田健太大学院生らは、合成した分子のカゴをスイッチとした細胞内一酸化炭素（CO）放出システムの開発に成功した。具体的には、フェリチン^[用語1]と呼ばれるカゴ状のたんぱく質の中に、COが結合した金属を閉じ込め、光を当てることによって、COがカゴから抜け出す仕組みを作り出した。

この手法を用いることにより、細胞内でCOを出すタイミングや量を自在に調節することが可能となった。また炎症抑制効果をもつたんぱく質NF-κB^[用語2]の活性化とCOの関係を明らかにした。

今回の成果は、内閣府の最先端・次世代研究開発支援プログラムの支援によるもので、化学分野において最も権威のある学術誌の一つである「Angewandte Chemie International Edition（ドイツ化学会誌）」のオンライン版で9月2日にHot Paperとして公開された。

研究背景

ヒトのからだは、体内に存在する様々なガス分子が伝達する信号によって保護されている。1998年に一酸化窒素ガスによる信号伝達機構についての研究がノーベル賞を受賞して以来、多くの研究者が、生体内でガス分子を扱う技術の開発に尽力している。

ガス分子の中でも特に一酸化炭素（CO）ガスは、生体内での取り扱いが難しい分子だったが、近年、金属カルボニル錯体と呼ばれる金属にCOが結合した分子からのCO放出反応を利用して、生体内へCOを輸送することが可能となり、COが抗炎症作用や細胞増殖などの細胞を保護する機能を持つことが徐々に明らかにされている。しかし実際には、COの放出のタイミングや量を人工的にコントロールすることが困難であったため、COが細胞内で伝達する信号を詳細に理解するには至っていなかった。

研究内容

上野教授らは、光を当てたときにのみCOを放出させる性質を持つマンガンカルボニル錯体^[用語3]（図1a）の細胞内輸送に着目し、COの放出のタイミングや量をコントロールすることを目指した。カルボニル錯体は毒性や細胞内環境での不安定性が問題点とされるが、同教授らはこれまでに8ナノメートル（nm）の内部空間をもつカゴ状たんぱく質フェリチン（図1b）への内包によって改善されることを見出している。今回の研究においても、マンガンカルボニル錯体をフェリチンのカゴの中に集積させた複合体（図1c）で細胞内へ輸送することにした。

図1.

マンガンカルボニル錯体の化学構造（a）、フェリチンのX線結晶構造（b）及びマンガンカルボニル錯体が集積したフェリチンのX線結晶構造（c）。

合成した複合体に光を照射し、CO放出実験を行ったところ、光刺激によって望んだタイミングでCOを放出できること、その放出量を光の照射時間によって変化させることができることが分かった（図2）。つまり、複合体は、光に応答するCO放出スイッチとしての機能を有しており、COの放出のタイミングや量を人工的に制御できる性質を持つことが明らかになった。

図2. 光照射時間に対するCO放出量の変化

NF-κBの活性化因子であるTNF-αと呼ばれる分子を添加したヒト胎児腎臓細胞（HEK293細胞）へ複合体を導入し、光を当てることによって、細胞内でのCO放出を誘導した。結果として、NF-κBを効率的に活性化させるには、1. 光照射によってCOが放出され、その信号が伝達された後に、2. NF-κBの活性化因子であるTNF-αの刺激が加えられることが重要であると分かった（図3）。

さらに、より多くのCOが放出されることもNF-κB活性化の向上に寄与していることを見出した。以上のCOの効果は、細胞内でCO放出スイッチとして機能する、今回合成したマンガンカルボニル錯体とフェリチンとの複合分子を用いることによってはじめて明らかにされた。

図3. 細胞内放出COによるNF-κB活性化機構

今後の展開

今回の研究では、COがTNF-αとNF-κBが関与する経路に着目したが、細胞内にはさらに様々な信号伝達経路が存在しており、今回、作製したスイッチを作動させるタイミングを調節することで、今後より詳細にCOの作用機構についての解明が進められていくと期待される。さらに、カゴ状たんぱく質を用いた細胞内で機能するスイッチの設計指針は、将来的にガスの放出以外の様々な化学反応を細胞内で進行させるために適用可能であると考えられる。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	A Photoactive Carbon-Monoxide-Releasing Protein Cage for Dose-Regulated Delivery in Living Cells
著者 :	Kenta Fujita, Dr. Yuya Tanaka, Dr. Satoshi Abe and Prof. Dr. Takafumi Ueno
DOI :	10.1002/anie.201506738

東京工業大学フロンティア研究機構　大隅良典栄誉教授が第20回慶應医学賞を受賞しました。

慶應医学賞は世界の医学・生命科学の領域において、医学を中心とした諸科学の発展に寄与する顕著、かつ創造的な研究業績をあげた研究者を顕彰するものです。1996年から研究者を顕彰し、過去には、本賞受賞者からノーベル賞受賞者を6名輩出しています。

大隅良典栄誉教授

授賞研究テーマ

オートファジーの分子機構の解明

授賞理由

生命を維持するためには細胞内のタンパク質を適切に分解・処理するシステムが必須です。大隅良典教授は、細胞が自分自身のタンパク質等の細胞成分を分解し再利用する「オートファジー現象」を出芽酵母の遺伝学的手法を用いて解析し、世界に先駆けてオートファジーに不可欠な遺伝子群を同定し、それらの機能と生物学的意義について明らかにされました。APGと名付けて報告されたこれらの遺伝子群は現在ATGと呼ばれていますが、この発見によってオートファジーの具体的な分子機構が明確になりました。そして、大隅教授の発見を発端として、これらの出芽酵母のATGに相当する遺伝子が哺乳動物細胞にも存在し、オートファジーは高等動物においても発生・恒常性維持に必須の役割を果たしていることが解明されました。更に、オートファジー機構の異常は、神経変性疾患や悪性腫瘍の病態や進展においても重要な機能を果たしていることが見出されました。

このように大隅教授の先駆的な研究から、オートファジーを基軸とする生命科学研究という新しい分野が創出され、教授自身も継続的に分野を牽引する研究成果を上げておられます。以上のような大隅教授の独創的な研究内容と、他の追随を許さない業績は、慶應医学賞に相応しいものです。

大隅良典栄誉教授のコメント

この度、慶應医学賞を受賞することになり、身に余る光栄の至りに存じます。ご推薦頂いた先生方、選考委員、慶應義塾医学振興基金の方々に深く御礼申し上げます。私はこの27年間、酵母を用いて細胞内の分解系の一つであるオートファジーの分子機構と生理的役割の解明を目指して研究を進めて参りました。近年オートファジーが様々な生命機能に関わっていることや、病態との関係も注目を集め、目覚ましい展開をしています。我々の研究がそのきっかけとなったとすれば、研究者としてこの上もなく嬉しく思います。これまでの研究が、素晴らしい共同研究者達に恵まれたことと、彼らのたゆまぬ努力の賜物であることに心から感謝の意を表します。

• 慶應医学賞
• 顔 東工大の研究者たち Vol.1 大隅良典
• 大隅良典栄誉教授が第31回国際生物学賞を受賞
• 大隅良典栄誉教授が2015年ガードナー国際賞を受賞
• 大隅良典栄誉教授　ガードナー国際賞受賞祝賀レセプションが開催

東京工業大学は、大学で行われている最先端研究のダイナミズムを紹介する講演会シリーズ 「インスパイアリング・レクチャー・シリーズ」を開催しています。そのシリーズの第2回が6月12日、大岡山キャンパス東工大蔵前会館くらまえホールにて行われました。

講演会場の様子

挨拶をする三島学長

第2回のテーマは、「情報通信と社会—IT社会のための革新的光通信—」です。光通信の世界的研究者として知られる末松安晴・東京工業大学栄誉教授（元学長）を中心に、スウェーデン、デンマークからも著名研究者を招へいし、光通信を中心に情報通信分野をテーマとした講演会を開催しました。

講演会は、160名を超える参加がありました。参加者層も幅広く、大学生から社会人の方まで多くの方にご来場いただきました。講演は英語（同時通訳あり）で行われたこともあり、国際色豊かな内容になりました。

今回は4名の講演が行われました。

1. Optical Fiber Communication for the Information Society

末松安晴栄誉教授は、光ファイバ通信の勃興期から光ファイバ通信の発展を生み出した革新的研究について、新しい情報通信技術（ICT）社会創出の観点から振り返りました。 豊富な写真やデータをもとに聴衆を引きつけるご講演で、1963年の東京工業大学全学祭において、世界で初めて行われたレーザ光を光ファイバで送る「光"ファイバ"通信」実験などの貴重な記録も紹介しました。引き続き、同氏が先導され、大容量長距離光ファイバ通信を可能にした動的単一モードレーザの一連の研究成果とそのインパクトについて講演しました。

2. Playing with Photons and Electrons "Bringing light to life"

クリスチャン・ストブケジャー教授は、光ファイバ通信を可能にしたいくつかの革新的技術について講演しました。同氏が博士課程学生時代に滞在した東京工業大学での懐かしい経験も紹介され、その後同氏が精力的に取り組んだ光信号処理の一連の研究とともに、最近のヨーロッパで展開されるフォトニクスに関する国家プロジェクトについても紹介しました。

3. Tunable lasers from research to production - a personal view

ビョルン・ブローベルグ博士は、同氏のライフワークともいうべき、現在の光通信ネットワークで広く使われる波長可変半導体レーザの研究開発、また、波長可変レーザについてのベンチャー起業についての貴重な経験について講演しました。さらに、同氏の半導体レーザ研究の出発点は、東京工業大学に在籍した1年間が貴重な基盤となっていることを懐かしい写真を交えて語りました。ベンチャー起業に関する失敗談、成功の秘訣など実体験をもとに、若い学生諸君にメッセージを送りました。

4. Terahertz Science and Technology: Innovation with Nanoelectronics

河野行雄准教授は、光領域と電波領域の中間に位置するテラヘルツ波（THz波）を用いた新しいセンシング、イメージング技術について講演しました。半導体中の2次元電子ガスやカーボンナノチューブ・グラフェンなどの低次元ナノ電子材料が持つ特徴を活かした最先端の研究成果を紹介しました。THz波を活用した単一バイオ・分子解析など、新しい分野の開拓への展望と抱負を述べました。

• 講演中の末松栄誉教授

• 質問に答えるストブケジャー教授

• 講演中のブローベルグ博士

• 講演中の河野准教授

講演後に行われた質疑応答は、ベンチャーの起業や、プロジェクトリーダーとして研究室をけん引する姿勢、情報通信とエネルギー問題、若手研究者へのアドバイスなどがあり、大いに盛り上がりました。

学生の質問に答える末松栄誉教授

閉会の挨拶をする安藤理事・副学長

今後も東工大の最先端研究をご紹介する「インスパイアリング・レクチャー・シリーズ」を開催予定です。どうぞご期待ください。

• インスパイアリング・レクチャー・シリーズ1「地球・生命の起源と進化」

本学、生命理工学研究科　太田・下嶋研究室の博士前期課程1年生・藤原亮太さんが、TBS「未来の起源」に出演しました。藤原さんが研究している「貧栄養土壌でも葉と根に油脂蓄積する植物の開発」について紹介されました。

下嶋美恵准教授と藤原亮太さん

• 番組名
  「未来の起源」
• タイトル
  畑で油を育てる
• 放送日
  TBS： 9月20日（日）　22:54～23:00
  （再放送）BS-TBS： 9月27日（日）　20:54～21:00

• 未来の起源
• 貧栄養土壌でも葉と根に油脂蓄積する植物を開発
• 太田・下嶋 研究室

ポイント

• 二セレン化タングステンでグラフェン超える2次元電子機能を容易に実現
• 結晶表面へのルビジウムの希薄蒸着で、特異な単原子層電子ガスの生成を発見
• 2次元電子ガスにおけるスピン状態間のエネルギー差を、蒸着量により巨大かつ自在に調整可能なことを実証
• 常識に反した“増量で縮む”という電子状態が関与していることを解明
• スピンや光を利用するトランジスタ応用につながる新技術

概要

東京工業大学応用セラミックス研究所の笹川崇男准教授、英セント・アンドルーズ大学のフィリップ・キング（Philip King）講師らの国際共同研究チームは、二セレン化タングステン（WSe₂）の単結晶表面にルビジウム（Rb）を希薄に蒸着することで、電子のもつ磁気的性質（スピン）を巨大に変化できる単原子層の電子ガスが生成することを発見した。これにより、グラフェン^[用語1]を超える2次元電子機能を簡便に実現することができる。

電界効果トランジスタ（FET^[用語2]）の根幹部分（ゲート）で行っている静電ドーピング^[用語2]を化学的に模倣して、通常のゲート電圧効果より2桁大きなスピン変化を自在に調整できることを実証した。静電ドーピング効果で誘起される2次元電子ガスは、"水を注ぐと水位が下がる"ことに相当するような「負の圧縮率」と呼ばれる特異な状態をもつことも解明した。本成果は、次世代半導体の基礎学理に重要な知見を与えるとともに、室温で動作するスピントロニクス・デバイスの実現などに向けて大きな弾みとなる。

以上の成果は、英国の科学誌「Nature Nanotechnology（ネイチャー・ナノテクノロジー）」においてオンラインで先行出版（9月21日発行：日本時間9月22日）された。

研究の背景と経緯

グラフェンのノーベル賞（2010年）を契機に、原子レベルの厚さをもつシート状物質や、それらがもつ2次元電子機能の開発が活発に行われている。グラフェンに追いつき追い越せる可能性をもつ物質の筆頭として注目されているのが、遷移金属ジカルコゲナイドと総称されるMX₂の組成（M = 遷移金属、X = カルコゲン）をもつ層状物質である。

遷移金属ジカルコゲナイドの中でも、重たい（大きな原子番号をもつ）元素で構成されている二セレン化タングステン（WSe₂）は、電子の運動と電子の磁石的性質（スピン）とが強く影響しあった状態をもつことから、グラフェンにはないスピンを電圧で制御するというような新機能の実現への期待も大きい。

一方でWSe₂は、単原子層ではスピン機能を発揮できる電子状態をもつものの、複数層では各層のもつ機能を打ち消すように積層した構造になってしまうことから、バルク単結晶は利用できないと考えられていた。しかしながら、単原子層を簡便に大面積で作製できる方法はこれまでに開発されていない。

研究成果

今回、積層化で失われていたWSe₂単原子層に固有な電子スピン機能を、単結晶の最表面に復活させ、容易に利用できる方法の開発に成功した。これは「結晶表面にアルカリ金属のルビジウム（Rb）を希薄に蒸着するだけ」という非常に単純な方法である。本手法の効果を模式的に表したのが図1である。

蒸着したRbは、最表面のWSe₂単原子層にのみ電子キャリアを供給し、2次元電子ガスを形成する。この際、数原子レベルの限られた距離に電気分極が発生し、単原子層の電子状態には巨大な電界効果が引き起こされることが判明した。通常のゲート電極を用いて外部電圧で誘起させる電界効果の場合と異なって、今回の手法では電荷蓄積層がむき出しになっているという特徴がある。そこで、最先端の分光手法を用いて、Rb蒸着前後の電子状態変化を直接に観察することにより、以上の「結晶表面単原子層への選択的な化学的静電ドーピング効果」を実験で発見することができた。

図1.

本研究で開発した手法：WSe₂単結晶にRbを希薄蒸着することで、化学的静電ドーピング効果により、結晶最表面にスピン機能をもった2次元電子ガスが作製できる

Rb蒸着量に比例して電子キャリア量（N [cm^-2]）は増加し、1.5桁の幅広い範囲で制御できることが分かった。角度分解光電子分光と呼ばれる電子の運動方向とエネルギーの関係を直接観測できる手法を用いて、キャリア量を変化させた際にどの様に電子構造が発達するかを観察した結果を図2に示す。キャリア量の増加とともに、電界効果によってスピンの上向きと下向きとでエネルギー差が生じ、N ~ 9×10¹³ cm^-2の時にはエネルギー差は180 meV にも及んだ。この値は通常のゲート電圧で引き起こせる効果に比べて2桁も大きい。この巨大変化をRb蒸着量で自在に制御できることも相まって、本手法は室温で動作するスピントロニクス・デバイスを実現するための重要な技術になるものと期待される。

図2.

Rb蒸着量で制御できる電子キャリア量（N）に応じて、異なるスピン方向の電子状態間にエネルギー差が生ずる様子を直接観察した結果

さらに、結果を詳細に解析し理論計算によるシミュレーションと比較検討することによって、WSe₂単結晶の最表面に形成される単原子層の電子ガスは、“水を注ぐと水位が下がる”ことに相当するような、直感に反した特異な性質をもつことも発見した。このような「負の圧縮率」と呼ばれる電子状態は、従来の半導体における2次元電子ガスにおいても、非常に低い電子キャリア量の時には観測されていた。これと比べてWSe₂の単原子層電子ガスでは、3桁におよぶ驚異的に高い電子キャリア量まで負の電子圧縮率が観測された。

この原因として、WSe₂は電子の運動エネルギーを小さくするような電子状態（マルチバレーと呼ばれる電子構造や比較的大きな電子の有効質量）をもち、これによって電子と電子との相互作用が大きくなっていることが関与していると考えられる。単原子層の遷移金属ジカルコゲナイドを用いて電界効果トランジスタを作製する試みが世界中で行われているが、ゲート電圧誘起の電子状態の発達過程は謎だらけである。従って、今回の結果はそれらにも本質的な知見を与えるものとして重要である。

論文情報

掲載誌 :	Nature Nanotechnology, Published Online (21 Sep. 2015).
論文タイトル :	"Negative electronic compressibility and tunable spin splitting in WSe2" （二セレン化タングステンにおける負の電子圧縮率と調整可能なスピン分裂）
著者 :	J. M. Riley, W. Meevasana, L. Bawden, M. Asakawa, T. Takayama, T. Eknapakul, T. K. Kim, M. Hoesch, S.-K. Mo, H. Takagi, T. Sasagawa, M. S. Bahramy, and P. D. C. King
DOI :	10.1038/NNANO.2015.217

本学総合理工学研究科　環境理工学創造専攻　浅輪研究室の押尾晴樹特別研究員が、TBS「未来の起源」に出演します。「航空機リモートセンシングにより、都市の樹木がもたらす熱環境緩和の効果を明らかにする研究」について紹介されます。

左：浅輪貴史准教授　右：押尾晴樹特別研究員

• 番組名
  「未来の起源」
• タイトル
  「空から見る、景色以外の街の姿」
• 放送日
  TBS： 10月4日（日）　22:54～23:00
  （再放送）BS-TBS： 10月11日（日）　20:54～21:00

• 未来の起源
• 浅輪研究室

本学理工学研究科　機械宇宙システム専攻　鈴森・遠藤研究室の博士前期課程1年生・車谷駿一さんが、TBS「未来の起源」に出演しました。車谷さんが研究している「人工筋肉」について紹介されました。

鈴森康一教授

車谷駿一さん

• 番組名
  「未来の起源」
• タイトル
  人工筋肉が実現する筋骨格ロボット
• 放送日
  TBS： 10月11日（日）　22:54～23:00
  （再放送）BS-TBS： 10月18日（日）　20:54～21:00

• 未来の起源
• 鈴森・遠藤研究室

T2R2システム（Tokyo Tech Research Repository）は、東工大の学術研究論文等の一元的な蓄積・管理・発信を目的としたシステムです。東工大所属の全ての研究者が執筆した学術研究論文等の書誌情報や、PDFファイル形式の論文本文を登録・保存・公開するための機能を備えています。また、T2R2システムに登録された論文・著書は、T2R2システムの検索サイトを通して、広く学内外の利用者による検索・閲覧が可能です。

7月13日、このT2R2システムにて学外公開されている論文等の本文ファイルが4000件を突破しました。今後もT2R2システムを通じ、本学の研究成果を世界へ向けて発信していきます。

4000件目の論文を登録した小西玄一准教授（大学院理工学研究科有機・高分子物質専攻）に、T2R2で公開している論文について聞きました。

ピレン色素によるミトコンドリアの染色のイメージ図
（J. Mater. Chem. B, Vol.3 No.2表紙から）

論文名	Novel pyrene-based two-photon active fluorescent dye efficiently excited and emitting in the 'tissue optical window (650–1100 nm)'
著者名	Yosuke Niko, Hiroki Moritomo, Hiroyuki Sugihara, Yasutaka Suzuki, Jun Kawamata and Gen-ichi Konishi
掲載誌	Journal of Materials Chemistry B
巻号頁	Vol. 3 No. 2 pp. 184-190

論文の概要を教えてください。

小西玄一准教授

二光子励起顕微鏡（TPFM）は、特に医療分野で期待されている光学技術であり、低侵襲・高深度で生体を観察することを可能とします。この分野では、高性能蛍光色素の開発が強く求められています。我々は、小さなサイズで細胞等に取り込むことができ、生体の中でも最もよく光を透過する領域（650-1100 nm）で強く二光子を吸収し、近赤外領域で高い発光効率を示す色素の開発に成功しました。実際にミトコンドリアの染色において、従来の色素よりも高感度のイメージングに成功し、さらに最近開発された汎用光源であるファイバーレーザーでも使用できることを示しました。

T2R2システムで公開されたファイルをどのような方々に読んでほしいですか？

ケミカルバイオロジー、医学、化学の研究者だけでなく、他の分野の研究者や学生にもぜひ読んでいただきたいです。

今後の研究活動のご予定を教えてください。

1050 nmのファイバーレーザー光源を用いて、取り出した細胞や生体組織だけでなく、生きている個体そのものの深部の観察に取り組んでいます。将来、癌や様々な病気の早期発見のための二光子励起顕微鏡を用いた内視鏡が製作できると思います。

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• T2R2 東京工業大学リサーチリポジトリ Tokyo Tech Research Repository
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• 二光子励起顕微鏡の病態診断応用に道 ―安価で操作性向上を実現する高性能色素の開発に成功―

概要

東京工業大学大学院総合理工学研究科メカノマイクロ工学専攻の高山俊男准教授は、複数のチューブを螺旋状に束ねるだけで製作可能な「管内推進装置」を開発した。

研究の背景

身の回りには様々な管があり、これらは定期的なメンテナンスを必要とする。管内の検査には内視鏡が有効であるが、細く曲がった管の奥まで入れることが難しく、管内推進装置が求められている。

研究成果

2本の柔軟なシリコーンチューブを伸びない糸を挟んで接着し、1本に空気圧をかけて伸ばすと、伸びたチューブが外側にくるような円弧形状に変形する。この原理を応用して、3本の柔軟なシリコーンチューブを伸びない糸を中心に螺旋状に束ねて互いに接着し、1本に空気圧をかけて伸ばすと、伸びたチューブが外側にくるような螺旋形状に変形する。3本のチューブを順に加圧すると、おなじ螺旋形状のまま外側になるチューブが順に入れ替わる。すなわち螺旋形状を維持したまま、体軸を中心とした回転運動を行う螺旋捻転運動となる。これを管内で行なうと、胴体が管内壁に斜めに押し付けられたまま回転運動を行うため、螺旋状の軌跡を描いて推進する。柔軟な構造であるため特に複雑な制御をしなくても屈曲部を容易に通過できる。外径6mmの寸法の試作機で内径9mmから25mmの管を移動可能で、内径20mmの管で最大毎秒45mmで移動可能であった。また接着時に束ねる螺旋の捻じれ角度によって変形可能な最大直径が変わることも確認した。

今後の展開

安価であるため汚れた環境下で使い捨てにでき、密閉性が高く電気も使わないため可燃性のガスのある管内で利用でき、生体内で利用できる可能性もある。今後、実用化のために、物理モデルを構築して変形可能な最大直径を予測し、目的に応じた推進装置の設計手法を求める予定である。

図1. 2本のチューブによる基本原理

図2. 3本のチューブを螺旋状に束ねて1本を加圧した場合

図4. 螺旋捻転管内推進装置の作り方

図5. 管内推進の様子（屈曲部も容易に通過可能）

論文情報

掲載誌 :	IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
論文タイトル :	A twisted bundled tube locomotive device proposed for in-pipe mobile robot
著者 :	高山俊男、竹島啓純、堀智之、小俣透
DOI :	10.1109/TMECH.2015.2411752