東京工業大学 環境・社会理工学院 融合理工学系の神田学教授と、一般財団法人 日本気象協会（以下「日本気象協会」）、国立研究開発法人 防災科学技術研究所（以下「防災科研」）は、「都市気象情報プラットフォームの研究開発^※1」で試作した超高解像度「都市乱流予測」を新宿でのドローン飛行実証実験に提供し、その有効性を検証しました。

超高層ビル街区を含む大都市でのドローンの安全飛行を目的とした、超高解像度「都市乱流予測」の活用は、国内で初めての取り組みです。（日本気象協会調べ）

日本気象協会、防災科研、東京工業大学の三者はJST未来社会創造事業での研究開発として、「都市気象情報プラットフォームの研究開発」を共同で実施しています。

この研究開発では、超高層ビル街区の気象予測の実現と有効利用を目指しており、都市気象情報のひとつとして超高解像度「都市乱流予測」の開発を進めています。

このたび、本研究開発の一環として、「チーム・新宿^※2」による「新宿区災害対策本部訓練との連携によるドローンを活用した超高層ビル街複数拠点での災害対応実証実験^※3」にて、試作中の超高解像度「都市乱流予測」の試験提供を実施しました。

今回提供した超高解像度「都市乱流予測」は、新宿西口エリアを対象とした2mメッシュ、5分間隔の情報で、超高層ビル街区を含む大都市特有のビル風や強風、ビルによる乱流などを予測します。

チーム・新宿による実証実験では、これらの予測情報を、ドローン飛行の実施判断や安全監視に活用いただきました。これにより、都市気象情報は大都市でのドローンの安全飛行に十分に活用できること、また、情報の有効性を確認・検証することができました。

これらの情報は試作段階であり、予測の精度向上などのさまざまな課題を解決していく必要があります。今後、これらの課題解決に向けて、日本気象協会、防災科研、東京工業大学は、「都市気象情報プラットフォームの研究開発」を進めていきます。

研究開発の背景と概要

Society5.0^※4で提唱された未来社会では、ドローンに代表されるロボットの利用や自動走行技術の活躍が期待されており、特に人やモノが集中する都市部で実現されれば、経済的、社会的に大きな効果が見込まれます。

一方で、これらの新しいロボットや技術は、強風によるドローンの墜落、熱や雨によるセンサーの性能低下など、気象の影響を受けることが知られています。こうしたロボットや技術が大都市でも最大限に活躍するためには、超高層ビル街区による複雑な気流、都市部の暑熱環境や局地的な大雨などを的確に捉えることが重要です。

そこで、本研究開発では、大都市特有の気象現象を観測、解析、予測する技術を開発し、これらの都市気象情報を一元的に提供可能な「都市気象情報プラットフォーム」の実現を目指しています。

さらに、「都市気象情報プラットフォーム」はドローン分野での活用に限らず、日射量や風速に依存する太陽光発電や風力発電などのエネルギー分野や、大雨や強風に影響される都市の物流や防災分野での活用も見込まれます。日本気象協会、防災科研、東京工業大学は、さまざまな社会システムとの連携を実現する「都市気象情報プラットフォームの研究開発」を通して、超スマート未来社会の創造に貢献します。

研究開発の体制

• プレスリリース 大都市でのドローン飛行で都市気象情報の有効性を検証 ―新宿でのドローン飛行実証実験に超高解像度「都市乱流予測」を提供―
• 神田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 神田学 Manabu Kanda
• 環境・社会理工学院 融合理工学系
• 環境・社会理工学院 土木・環境工学系
• JST未来社会創造事業「超スマート社会の実現」領域に「都市気象情報プラットフォームの研究開発」が採択｜日本気象協会
• 日本気象協会
• 防災科研

要点

• 酸窒化物の高品質な単結晶の合成に成功
• 新たな機構による強誘電性を酸窒化物単結晶で初めて実証
• 新規酸窒化物誘電体の開発に期待

概要

北海道大学 大学院工学研究院の鱒渕友治准教授、樋口幹雄准教授、吉川信一名誉教授、同総合化学院 博士後期課程の細野新氏（日本学術振興会特別研究員）、同理学研究院の武貞正樹准教授、東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の安井伸太郎助教、伊藤満教授らの研究グループは、酸窒化物^[用語1]ペロブスカイトBaTaO₂Nの微小な単結晶を用いて、当該物質群におけるPolar Nano Regions（PNRs）^[用語2]による強誘電性が発現することを世界で初めて実証しました。

本研究では、細野氏らが発見したBaCN₂を結晶成長のフラックス^[用語3]として用いることで、最大数µm（マイクロメートル）サイズの高品質なBaTaO₂N単結晶を合成しました。研究グループは、微小部の電気物性を評価できる圧電応答顕微鏡^[用語4]を用いて、BaTaO₂N単結晶の自発分極の方向が電場の印加によって反転することを確認し、強誘電体であることを実証しました。また、本研究の微細な単結晶は耐電圧が非常に高く、物性データの信頼性が高いことも特徴です。本成果は、複数の陰イオンの共存によって無機物にPNRsによる強誘電性を導入できることを示しており、新たな強誘電体材料の開発指針の確立につながると期待されます。

なお、本研究成果は、2019年11月27日（水）公開のInorganic Chemistry誌に掲載されました。

また、本研究は日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究A（＃24245039）、新学術領域研究「複合アニオン」（JP16H06439）、特別研究員奨励費（19J10301）の補助を受けて行われました。

背景

高度情報通信社会の実現に向けたインフラの整備や、電気自動車をはじめとする次世代交通手段への実装などを目指し、より高周波数帯及び高温環境で動作する強誘電体材料の開発が急務とされています。こういった情勢下において、新たな強誘電体材料の候補として酸窒化物ペロブスカイトが注目され始めています。過去に、酸窒化物ペロブスカイトの緻密な焼結体における強誘電性を報告しましたが、物性測定時に数Vの電圧印加で電流がリークするという課題点がありました。

このような電流のリークには焼結体中の粒界や、焼結時に生じた半導体成分の寄与が疑われており、より高絶縁性で高品質な酸窒化物試料を用いた信頼性の高い電気物性データの取得が望まれていました。

研究手法

酸窒化物ペロブスカイトは融点よりも低い約1,000 ℃で分解するため、その融液からの結晶成長は不可能です。北海道大学の細野氏らは、酸窒化物ペロブスカイトのフラックスとなる低融点な物質を探索したところ、BaCN₂が900 ℃付近に融点をもち、目的材料の反応性フラックスとして機能することを発見しました^{[引用文献1]}。これをBaTaO₂Nと混合して加熱・徐冷することで、最大3.1 µm角の立方体形状のBaTaO₂N単結晶を得ました（図1左）。この微細な単結晶粒子の上下面に電極を つけ、圧電応答顕微鏡を用いて印加電場による自発分極の反転を確認しました。

研究成果

BaCN₂フラックス中で得られたBaTaO₂N粒子は、光学顕微鏡で色や形状を確認できるほどの大きさを有しており、透過型電子顕微鏡を用いて粒子内部までペロブスカイト型構造の単結晶であることを確認しました（図1右）。これはBaCN₂にBaTaO₂Nが溶解し、冷却過程で再結晶したためです。

この単結晶粒子に圧電応答顕微鏡で電圧を印加したところ、先行研究における焼結体を大幅に上回る100 Vまで電圧を印加しても電流はリークせず、BaTaO₂Nが非常に高い電気抵抗を有することが判明しました。さらに電圧を変化させると分極反転を伴う圧電応答が確認され、PNRsに由来する強誘電体である明確な根拠が得られました。

図1.

（左）立方体状のBaTaO₂N結晶の走査型電子顕微鏡像。
（右）粒子内部の透過型電子顕微鏡像。各原子が秩序よく結晶構造模型（緑：Ba、黄：Ta、赤： 酸素及び窒素）と同様の配列をしていることから、本研究で得たBaTaO₂N粒子は単結晶。

今後への期待

酸窒化物ペロブスカイトBaTaO₂NのPNRsに由来する強誘電性は、結晶構造に含まれる酸化物イオンと窒化物イオンが規則的に配列した領域が部分的に存在することが起源とされています。従来の酸化物誘電体材料における（変異型）強誘電性とは異なり、窒化物イオンなどの異種の陰イオンを共存させることによるPNRsに起源をもつ新たな強誘電性の発現を実証したことで、新たな電子材料開発と情報及びエネルギーシステムへの飛躍的な応用が期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Inorganic Chemistry（アメリカ化学会が発行する無機化学の専門誌）
論文タイトル :	Ferroelectric BaTaO2N Crystals Grown in a BaCN2 Flux（BaCN2フラックス中で合成した 強誘電BaTaO2N単結晶）
著者 :	細野新1、鱒渕友治2、安井伸太郎3、武貞正樹4、遠堂敬史5、樋口幹雄2、伊藤満3、吉川信一2
所属 :	1北海道大学 大学院総合化学院 2北海道大学 大学院工学研究院 3東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所 4北海道大学 大学院理学研究院 5北海道大学 大学院工学研究院 工学系技術センター技術部
DOI :	10.1021/acs.inorgchem.9b02917

• プレスリリース 新たな強誘電性を微細な酸窒化物単結晶を用いて実証 ―新規強誘電体材料の開発に期待―
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• 伊藤研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 伊藤満 Mitsuru Itoh
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 安井伸太郎 Shintaro Yasui
• 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 物質理工学院 材料系
• 北海道大学 大学院総合化学院
• 北海道大学 大学院理学研究院
• 北海道大学 大学院工学研究院 工学系技術センター
• 研究成果一覧

要点

• くし型共重合体・ペプチド複合体による、脂質二重膜の2次元ナノシート／3次元小胞の高効率で可逆的な変換に成功
• 外部刺激による形態の操作や、形態変換に伴う小胞内への物質封入を実現
• ドラッグデリバリーシステムやリキッドバイオプシーへの応用を期待

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の嶋田直彦助教、丸山厚教授らの研究グループは、同 櫻井実教授および東京大学 大学院理学系研究科の樋口秀男教授のグループと共同で、分子シャペロン^[用語1]機能を有するイオン性くし型共重合体^[用語2]により、脂質二重膜^[用語3]の2次元ナノシートと3次元小胞間の高効率で可逆的な変換操作に成功しました。

ペプチド機能を活性化する分子シャペロンとして働くイオン性くし型共重合体と、生体膜活性化ペプチド^[用語4]を組み合わせることで、脂質2次元シート外縁の水・油界面を安定化し、2次元／3次元形態変換や、小胞内への目的物質の封入を可能にすることが明らかになりました。将来的には、バイオテクノロジー分野において、ドラッグデリバリーシステム^[用語5]やリキッドバイオプシー^[用語6]などの新たな基盤になると期待されています。研究成果は、ドイツ科学誌「アドバンスト・マテリアルズ（Advanced Materials）」に2019年11月1日付 （現地時間）に掲載されました。

背景

ナノシートは、ナノメートル（1 mmの100万分の1）スケールの厚さに対して、1,000倍程度の横方向の大きさを持つ2次元的な形状の材料です。グラフェンに代表されるように、力学的、電気的、光学的に特異な性質を有することから、大きな注目を集めてきました。近年では無機材料だけでなく、高分子のような有機系の柔軟な素材からなるナノシートも報告されており、バイオテクノロジーへの応用も期待されています。物質がこうした2次元的なナノシート形状と3次元的な構造の両方の形態を取りうる場合、pH変化のような外部刺激によってその形態を操作することができれば、新しいナノデバイス創製につながると考えられます。

本研究では、脂質二重膜の3次元構造である脂質小胞に対して、生体膜活性化ペプチドとイオン性くし型共重合体を添加したところ、シャペロン効果により、2次元形状を持つ脂質ナノシートが高効率に生成することを発見しました。さらに、pHや酵素といった外部刺激によって脂質二重膜の2次元ナノシート／3次元小胞構造の変換を操作できることを実証しました。

研究成果

研究グループは、これまでに正電荷をもつイオン性くし型共重合体が、負電荷を持つ生体分子である核酸やペプチドと複合体を形成し、活性な高次構造を安定化するシャペロン効果を持つことを明らかにしてきました。E5ペプチドは、ヘマグルチニン（インフルエンザウイルスの感染に関わる膜融合タンパク質）のN末端を模倣した負電荷をもつ生体膜活性化ペプチドで、20個のアミノ酸残基から構成されています。生理的なpHにおいて、E5単体ではランダムコイル構造（不定形構造）をとり、活性がありませんが、イオン性くし型共重合体poly（allylamine）-graft-dextran （PAA-g-Dex）（図1）を加えることで、両親媒性のヘリックス構造（らせん構造）へと転移し、脂質二重膜を不安定化するようになります。

今回、細胞程度の大きさを持つ3次元的な脂質小胞（図2）に対し、E5とPAA-g-Dexを添加して顕微鏡で観察したところ、90%以上の小胞が2次元的なシート状へ展開することを発見しました。さらに、E5を蛍光ラベル化したところ、E5が脂質シートの周縁部に局在する様子が観察されました。このことから、今回の2次元的なシート形成は、豊富な親水性側鎖を持つ高分子（PAA-g-Dex）・ペプチド（E5）の複合体が、脂質シート周縁の水・油界面をエネルギー的に安定化した結果と考えられます（図3）。

脂質シートが高分子・ペプチド複合体により安定化されているとすると、複合体を解離させることで、脂質シートが再び3次元小胞に復帰すると予想されます。実際に、負電荷をもつポリビニル硫酸（PVS）を過剰量添加し複合体を解離させたところ、全てのシートが小胞へ復帰する様子を確認しました。さらに、マイクロ流体デバイスにおいて固定化した脂質小胞に対して、E5を修飾し、そこへPAA-g-DexとPVSを交互に加えることで、シート・小胞の形態間で繰り返し変換することができました。また、シートから小胞への形態変換に伴い、小胞内への物質の封入が可能であることも示されました。

さらに、pHによる形態制御を目指して、イオン性の異なるくし型共重合体を設計し、E5とともに脂質小胞に添加しました。その結果、くし型共重合体が十分に正電荷にイオン化されて、E5と静電的に相互作用するpH領域のみで、脂質シートが形成されました。また、特定の酵素の活性に応答し構造変換させることも可能になりました。このように、高分子の設計によって、脂質二重膜の2次元シート／3次元小胞構造の変換を特定のトリガーで制御できました。

今後の展開

本研究により、イオン性くし型共重合体・ペプチド複合体を用いた、脂質二重膜の2次元シート／3次元小胞構造の高効率な可逆的変換操作が可能になりました。疾病状態を自律的に判断することで、小胞を脂質シートへと構造転移させて、内包した薬物を放出するなど、くし型共重合体の分子設計を工夫することで、さらに高度な制御がプログラム可能となると考えられます。このような脂質膜の2次元／3次元変換は、ドラッグデリバリーシステムやリキッドバイオプシーなど、バイオテクノロジー分野における技術の新たな基盤となると期待されます。

付記

本研究成果は、増田造博士研究員（現 東京大学 大学院工学系研究科 助教）及び本研究室所属大学院生の協力のもと行われました。また、文部科学省新学術領域研究「分子ロボティクス」、「ナノメディシン分子科学」、「物質・デバイス領域共同研究拠点」における「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」および文部科学省科学研究費助成事業、日本学術振興会特別研究員奨励費、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の助成金のもとで得られたものです。

論文情報

掲載誌 :	Advanced Materials
論文タイトル :	Cationic Copolymer-Chaperoned 2D–3D Reversible Conversion of Lipid Membranes
著者 :	Naohiko Shimada, Hirotaka Kinoshita, Takuma Umegae, Satomi Azumai, Nozomi Kume, Takuro Ochiai, Tomoka Takenaka, Wakako Sakamoto, Takayoshi Yamada, Tadaomi Furuta, Tsukuru Masuda, Minoru Sakurai, Hideo Higuchi, Atsushi Maruyama
DOI :	10.1002/adma.201904032

• プレスリリース 人工シャペロンにより脂質二重膜の2次元／3次元構造の高効率で可逆的な変換に初めて成功
• Maruyama Laboratory
• 櫻井研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 嶋田直彦 Naohiko Shimada
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 丸山厚 Atsushi Maruyama
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 櫻井実 Minoru Sakurai
• 生命理工学院 生命理工学系
• 東京大学 大学院理学系研究科・理学部
• 研究成果一覧

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の田中克典教授（理化学研究所（理研）開拓研究本部 田中生体機能合成化学研究室 主任研究員）、理研 同研究室のケンワード・ヴォン基礎科学特別研究員らの共同研究グループ^※は、植物や果物の中で遷移金属触媒反応^[補足1]を用いることで、外部ストレスへの応答や生体防御のため、あるいは熟成過程で産生される「エチレン」を現地（産生部位）で可視化することに成功しました。

本研究成果は、植物や果物の特定部位でエチレンが産生される理由やエチレンがつかさどる生体機能を解明する技術として利用されることが期待できます。

これまでに、田中教授らは、アルブミン^[補足2]の疎水性ポケットに遷移金属触媒を導入することで、金属触媒が水に可溶化するとともにさまざまな生体分子から保護され、生体内で効率的に触媒反応が進むことを見いだしました。

今回、共同研究グループは、植物や果物の中で産生されるエチレンに対して、メタセシス反応^[補足3]を起こすことのできる「アルブミン・ルテニウム人工金属触媒（エチレンセンサー）」を開発しました。

エチレンセンサーは、エチレンと反応すると蛍光性分子に変換されるため、植物や果物の特定部位で産生されるエチレンを蛍光イメージングで可視化・検出できます。このエチレンセンサーを用いて、成熟したキウイでは果皮部位でエチレン産生量が増大すること、病原菌に感染したシロイヌナズナの葉で生体防御のシグナル分子としてエチレンが産生されることを確認しました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』（12月17日付）に掲載されました。

背景

二重結合を持つ「エチレン（分子構造CH₂=CH₂）」は、水素（H₂）、メタン（CH₄）に次いでサイズの小さい有機化合物であり、常温常圧の条件下では気体として存在します。このエチレンは、重合反応によりさまざまなポリマーを工業生産するための安価な基本原料として使用されています。

哺乳動物は体内でエチレンを産生しませんが、植物や果物は傷つけられるなどの外部ストレスへの応答や病原菌に対する生体防御のために、重要な機能性分子としてエチレンを産生します。

さらに、植物や果物の熟成過程において、エチレンは植物ホルモンとして果実を成熟させる働きをします（クリマクテリック型果実^[補足4]）。そのため、出荷を待つ果物が保管された倉庫内では、果物から放出される気体状のエチレンにより過剰に熟成が進まないようにする必要があります。このようなことから、倉庫内のエチレン濃度を一定に保つために、さまざまな検出法が開発されています。精密なガスクロマトグラフィー^[補足5]機器分析技術を用いたり、最近では植物のエチレン受容体を疑似化し、エチレンと金属との配位を効果的に利用した機能性材料まで開発されており、エチレンを高感度で検出できるようになってきました。しかし、これら既存の方法は、植物や果物から大気中に気体として放出されたエチレンを検出する方法であり、エチレンが植物や果物のどの部位で、どのタイミングで発生しているかを調べることは困難でした。

これまでに田中教授らは、アルブミンの疎水性ポケットに対して、その疎水性リガンドを介して金やルテニウムなどの遷移金属触媒を導入すると、これら触媒は生体内媒体である水に可溶化されること、触媒を失活させるグルタチオン^[補足6]から保護されて触媒活性が維持されることを見いだしました^[注1]。さらに、アルブミン・遷移金属触媒に臓器やがん選択的な糖鎖を導入することによって、マウス内の標的臓器や細胞で望む金属触媒反応を実現し、がんを治療することに成功しています^{[注2] [注3]}。

今回、共同研究グループは、植物や果物で産生されるエチレンに対して、ルテニウム触媒を用いたメタセシス反応を起こして蛍光性分子へと変換することで、特定位置で産生するエチレンを蛍光イメージングで可視化できるのではないかと考えました（図1）。

アルブミン人工金属触媒を植物や果物で機能させ、特定の部位で発生するエチレンを蛍光物質に合成変換することでエチレンを検出する。

研究手法と成果

まず、アルブミン・ルテニウム人工金属触媒を利用して、エチレンのメタセシス反応の結果、蛍光が生じるセンサーシステムを設計・開発しました（図2A）。アルブミンの疎水性ポケットに対して、蛍光基の7-ジエチルアミノクマリン（疎水性リガンド）を介してHoveyda-Grubbsルテニウム触媒を導入した後、ルテニウム金属上に消光基のDABCYL基を配位させました。この状態では、疎水性ポケットの中で蛍光基の7-ジエチルアミノクマリンが消光基のDABCYL基と相互作用しているために、蛍光は観測されません。

共同研究グループは、この触媒の仕組みを「エチレンセンサー」と呼ぶことにしました。このエチレンセンサーが植物や果物で産生されるエチレンと出合うと、ルテニウム金属上でメタセシス反応が進行して、消光基のDABCYL基がアルブミンの疎水性ポケットから排出されます。すると、消光基が蛍光基から離れるため、蛍光が効率的に回復します。この蛍光強度を測定することで、エチレンの存在の有無や濃度を解析することが可能になりました。

この解析手法を利用したエチレンセンサーにエチレンを作用させたところ、時間が経つとともに蛍光が回復していることが判明しました（図2B）。また、一部の植物や果物で産生される二重結合を持つ他の生体内分子（リモネンやミルセンなど）とも作用させたところ、最もサイズが小さく反応性の高いエチレンが優先的に反応したことから、エチレンを選択的に検出できることが分かりました（図2C）。

A）アルブミンの疎水性ポケットに対して、疎水性リガンドである蛍光基の7-ジエチルアミノクマリンを介してHoveyda-Grubbsルテニウムを導入した後、ルテニウム金属上に二重結合を持つDABCYL消光基を配位させる。この状態では7-ジエチルアミノクマリンの蛍光は観測されないが、エチレンとのメタセシス反応が進行すると、DABCYL消光基が疎水性ポケットから排出され、蛍光が観察されるようになる。

B）エチレンセンサーにエチレンを作用させると、時間が経つとともに蛍光が回復した。

C）エチレンセンサーは二重結合を持つ他の生体内分子が共存していても、エチレンを選択的に検出することができる。

次に、開発したエチレンセンサーを用いて、果物で産生されるエチレンを検出してみました。3種類のリンゴ（ゴールデンデリシャス、ジャズ、フジ）を薄切りにして、直ちにエチレンセンサーの溶液を含んだウェル上に設置して、そのまま蛍光顕微鏡で観察しました（図3）。この際、植物や果物でのエチレン産生の原料となる1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸（ACC）、またはエチレン産生を阻害するピラジナミド（PZA）を同時に作用させることによって、エチレンの産生がどう変化するかも併せて検証しました。

蛍光顕微鏡で観察を始めてから20時間後まで連続して観察したところ、3種類のリンゴの中では、ゴールデンデリシャスの切片では蛍光強度が最も増大したのに対して、フジの切片ではほとんど蛍光が認められませんでした（図3A、 B）。果物から大気中に放出されるエチレンを検出する従来の方法によって、フジではほとんどエチレンは産生されないことが分かっています。さらに、ゴールデンデリシャスにACCを共存させると、エチレンの産生が増えるのに対して、PZAの共存下ではエチレンの産生は抑制されました（図3C）。以上の結果から、開発したエチレンセンサーにより、リンゴから産生されるエチレンを高感度に検出できることが判明しました。

A）開発したエチレンセンサーを用いることにより、ゴールデンデリシャスリンゴ、ジャズリンゴ、およびフジリンゴの中で、ゴールデンデリシャスリンゴが最も蛍光強度が増大（エチレンが産生）していることが分かる。

B）ゴールデンデリシャスリンゴの切片にエチレンセンサーを作用し、蛍光顕微鏡で観察した様子。時間の経過に伴って蛍光強度が増し、エチレンが産生されていることが分かる。

C）ゴールデンデリシャスリンゴの2切片に対して、エチレン産生の原料となる1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸（ACC）を共存させたところ、どちらもエチレンの産生量が増した。一方、別の2切片に対してエチレン生成を阻害するピラジナミド（PZA）を共存させたところ、どちらもエチレンの産生が減少した。

さらに、キウイ、ヤマナシ、マスカット、ニンジン、ピーマンの切片を用いて時間経過によるエチレンの産生を観察したところ、キウイ、ヤマナシ、マスカットではエチレンが産生されるのに対して、野菜に分類されるニンジンやピーマンでは全く産生されないことが分かりました。エチレンの放出によって成熟を進めるクリマクテリック型果実ではないマスカットでのエチレン産生は初めての知見であり、エチレンが未知の機能を持つ可能性が示されました。

今回開発したエチレンセンサーは、植物や果物でエチレンが産生されている「現地」でエチレンを検出できる点が従来法と異なる大きな特長です。これまでの植物のエチレン合成に関わる遺伝子やタンパク質の解析により、キウイでは、果皮、子房室、軸柱のうち成熟に伴って果皮からエチレンが産生されることが示唆されています。そこで、キウイの切片をエチレンセンサーで検証したところ、未熟のサンプルと比較して、成熟したキウイでは果皮部位でエチレン産生量が増大することが蛍光イメージングの可視化により分かりました（図4）。

A）キウイの切片にエチレンセンサーを作用させることで、果皮、子房室、軸柱におけるエチレンの産生を緑色蛍光で可視化できた。

B）未熟成および熟成したキウイの果皮、子房室、軸柱の蛍光強度を比較した図。成熟の過程で、果皮で最もエチレンが産生されることが分かった。

植物では病原菌の感染に対して、生体防御の重要なシグナル分子としてエチレンが産生されることが知られています（図5A）。そこで、病原菌感染により植物中に放出されるエフェクタータンパク質^[補足7]（AvrRpm1およびAvrRpm2）をシロイヌナズナの葉に作用させ、エチレンがどれだけ産生されるかエチレンセンサーを用いて調べました。その結果、野生型のシロイヌナズナの葉では蛍光が観察され、エチレンが産生されていることが分かりました（図5B、E）。一方で、これらのエフェクタータンパク質を認識する受容体、ならびにエチレンの生合成に携わる酵素（ACS）をノックアウトしたシロイヌナズナ変異体の葉では、蛍光はほとんど見られず、エチレンの産生が抑制されることが分かりました（図5C、D、E）。

A）植物が病原菌に感染したときに起こる生体防御応答のメカニズム。植物は病原菌から放出されるエフェクタータンパク質（AvrRpm1、AvrRpm2）を認識して、MAPKキナーゼ経路が活性化され免疫応答が起こる。この一連の流れの過程で、エチレンが産生される。

B）野生型のシロイヌナズナ（Col-0）に対して、エチレンセンサーの共存下でエフェクタータンパク質を作用させると、蛍光が増大し、エチレンが産生されていることが分かった。

C）エフェクタータンパク質の受容体をノックアウトしたシロイヌナズナ変異体（rpm1rpm2）にエフェクタータンパク質を作用させても蛍光は観察されず、エチレンは産生されなかった。

D）エチレンの生合成に携わる酵素をノックアウトしたシロイヌナズナ（acs1/2/6/4/5/9/7/11）にエフェクタータンパク質を作用させてもエチレンは産生されなかった。

E）B）-D）の実験で得られた蛍光強度を定量化したグラフ。

今後の期待

今回、開発したエチレンセンサーにより、植物や果物のどの部位でエチレンが発生しているかを蛍光イメージングにより可視化できるようになりました。この技術は今後、特定の部位でエチレンが発生する理由や、エチレンがつかさどる未知の生体機能の解明に活用されることが期待できます。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	An artificial metalloenzyme biosensor can detect ethylene gas in fruits and Arabidopsis leaves
著者 :	Kenward Vong, Shohei Eda, Yasuhiro Kadota, Igor Nasibullin, Takanori Wakatake, Satoshi Yokoshima, Ken Shirasu, and Katsunori Tanaka
DOI :	10.1038/s41467-019-13758-2

• プレスリリース 触媒駆動型の生体内エチレンセンサー ―植物や果物の特定部位で産生されるエチレンの可視化に成功―
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 田中克典 Katsunori Tanaka
• 物質理工学院 応用化学系
• 理化学研究所
• 田中生体機能合成化学研究室
• 研究成果一覧

要点

• トポロジカル絶縁体と強磁性半導体の接合により実現
• 強磁性半導体中のマグノン励起・吸収とスピン無秩序散乱を利用
• スピン軌道トルク磁気抵抗メモリーの新しい読み出し原理に期待

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系のファム・ナム・ハイ准教授とNguyen Huynh Duy Khang（グエン・フン・ユイ・カン）博士研究員の研究チームは、トポロジカル絶縁体^[用語1]・強磁性半導体^[用語2]接合を用いて、巨大な一方向性スピンホール磁気抵抗効果^[用語3]を実証した。

スピンホール効果^[用語4]が強いトポロジカル絶縁体と強磁性半導体を組み合わせたことで、従来の3桁高い1.1%の巨大な抵抗変化を達成した。さらに巨大な一方向性磁気抵抗効果の起源が強磁性半導体中のマグノン^[用語5]励起・吸収とスピン無秩序散乱^[用語6]によって生じることを明らかにした。

一方向性スピンホール磁気抵抗効果は非磁性体・磁性体の接合において、非磁性体のスピンホール効果によって、接合抵抗が磁性体の180°磁化反転に応じて変化する現象である。この現象を利用すれば、2層だけの極めて簡易な構造の面内型スピン軌道トルク磁気抵抗メモリーの実現が期待できる。しかし、従来研究されてきた重金属・磁性金属の接合においては接合の抵抗変化が0.001%台と極めて微小であるため、デバイス応用に必要な1%以上の抵抗変化の実現が難しいと考えられてきた。

研究成果は米国物理学協会の学術誌Journal of Applied Physics（ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）の注目論文として12月17日（現地時間）に掲載された。

背景

近年、電子回路の低消費電力化の観点から超高速、超高密度、高耐久性の不揮発性メモリーが求められている。MRAMはランダムアクセスメモリーの一種で、不揮発性に加え、高速動作、極めて高い耐久性など、大変優れた特性を持つ。そのため、MRAMは不揮発性メモリーと集積回路の融合に適し、車載用や人工知能集積回路などに応用が広がりつつある。

MRAMの中にも、スピンホール効果による純スピン流を磁性層に注入し、スピン軌道トルク（Spin orbit torque：SOT）によって磁化反転（データ書き込み）を行うSOT-MRAMが注目されている。SOT-MRAMでは、スピンホール効果が強い材料を用いれば、書き込みに必要な電流を1桁、エネルギーを2桁以上も下げることができる。ファム准教授らはSOT-MRAMの高性能な純スピン注入源として、巨大なスピンホール効果を示すBiSb（アンチモン化ビスマス）トポロジカル絶縁体を発見し、SOT-MRAMの超低電流書き込み技術を開発してきた。（トポロジカル絶縁体で世界最高性能の純スピン注入源を開発｜東工大ニュース）

しかし、SOT-MRAMのデータ読み出しには従来に用いられてきたトンネル磁気抵抗効果（TMR）が使われている。このTMR効果を利用する垂直型SOT-MRAM素子では、データを記録する磁性自由層に加えて、トンネル障壁および参照用の固定磁性多層構造が必要である。

そのため、MRAM素子は数オングストロームの極めて薄い層を30層ぐらい積層する必要があり、製造の難度が高い。また、データ書き込みと読み出しの経路が異なるため、3つの端子と2つのトランジスタが必要がという欠点がある。さらに、微細化すると、素子抵抗が面積に逆比例して急激に大きくなるため、読み出しノイズが増える問題がある。

研究の経緯

ファム准教授らはSOT-MRAMの読み出しで、一方向性スピンホール磁気抵抗効果（USMR）に着目した。この効果を用いれば、2層だけの極めて簡易な構造の面内型スピン軌道トルク磁気抵抗メモリーの実現が期待できる。図1に従来のTMR効果を用いる垂直型SOT-MRAM素子とUSMR効果を用いる面内型SOT-MRAM素子の違いを示す。

垂直型SOT-MRAM素子は（1）約30層と極めて複雑な構造、（2）データ書き込みと読み出しの経路が異なるため3つの端子と2つのトランジスタが必要、（3）微細化すると抵抗が急激に増えて、ノイズが増えるという欠点がある。それに対して、面内型SOT-MRAM素子は（1）2層だけの極めて簡単な構造、（2）データ書き込みと読み出しの経路が同じであるため2つの端子と1つのトランジスタだけが必要、（3）微細化しても、素子抵抗が変わらないため、ノイズが増えないという利点がある。

しかし、これまでに研究されてきた重金属・磁性金属の接合では、USMR効果による接合の抵抗変化が0.001%台と極めて微小であり、面内型SOT-MRAMの実現に必要な1%以上の抵抗変化の実現が難しいと考えられてきた。

研究成果

研究チームはUSMR効果の増大を目指して、トポロジカル絶縁体BiSb（アンチモン化ビスマス）と強磁性半導体GaMnAs（砒化ガリウム・マンガン）の接合を作製した。この接合において、電流と温度が増加すると、抵抗変化が急激に増え、最大で1.1%という巨大なUSMR効果が発現した（図2）。この値は従来に研究されてきた重金属・金属磁性体の接合よりも3桁も高く、応用に必要な1%以上の抵抗変化を初めて達成した。

さらに、この巨大な一方向性磁気抵抗効果の起源は従来に研究されてきた重金属・金属磁性体の接合と異なるメカニズムで生じることも分かった。具体的には、BiSbトポロジカル絶縁体から注入された純スピン流によって、強磁性半導体GaMnAs中のマグノンが励起・吸収が生じて、自由正孔のスピン無秩序散乱によって抵抗変化が生じることを明らかにした（図3）。

図3.

巨大なUSMR効果のメカニズム。（a）BiSbトポロジカル絶縁体のスピンホール効果による純スピン流が注入される。（b）GaMnAs強磁性半導体中にマグノンが励起・吸収され、さらに自由正孔によるスピン無秩序散乱が生じる。

今後の展開

今回の成果は、スピンホール効果が強いトポロジカル絶縁体とスピン無秩序散乱の大きい材料を用いた場合、巨大なUSMR効果を実現できることが分かったことである。今後は、さらなる材料の探査を行うことによって、室温でより大きな抵抗変化を実現し、面内型SOT-MRAM素子の実用化を目指す。

論文情報

掲載誌 :	Journal of Applied Physics
論文タイトル :	Giant unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator - ferromagnetic semiconductor heterostructures
著者 :	Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
DOI :	10.1063/1.5134728

研究支援

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られた。

• プレスリリース 巨大な一方向性スピンホール磁気抵抗効果を実証 ―従来の3桁高い1.1%の巨大な抵抗変化を達成―
• トポロジカル絶縁体で世界最高性能の純スピン注入源を開発│東工大ニュース
• スピン自由度を用いた次世代半導体デバイス実現へ大きな進展│東工大ニュース
• 半導体のパラダイムシフトを起こす「スピントロニクス」に賭ける ― ファム・ナム・ハイ│研究ストーリー｜研究
• ファム・ナム・ハイ准教授がドイツ・イノベーション・アワード「ゴットフリード・ワグネル賞2019」を受賞│東工大ニュース
• ファム研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - PHAM NAM HAI Namhai Pham
• 研究者詳細情報（STAR Search） - NGUYEN HUYNH DUY KHANG
• ファム研究室 ―研究室紹介 #30―｜電気電子系 News
• 工学院 電気電子系
• 研究成果一覧

物質理工学院 材料系 宮内雅浩研究室の河村玲哉さん（物質理工学院 材料系 修士課程2年）が、TBS「未来の起源」に出演します。

「水素をためて光で放出する、軽量で安全な材料」の研究が紹介されます。

「未来の起源」は、最先端科学分野の研究に携わる若者たちの活躍ぶりや、研究テーマへの情熱を描く番組です。

河村玲哉さんのコメント

• 番組名
  TBS「未来の起源」
• 放送予定日
  2020年1月12日（日）22:54 - 23:00（放送地域：関東地域、愛知、岐阜、三重）
• 再放送予定日
  BS-TBS 2020年1月19日（日）20:54 - 21:00

• TBS「未来の起源」
• 軽量で安全な水素キャリア材料を開発｜東工大ニュース
• 宮内研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 宮内雅浩 Masahiro Miyauchi
• 物質理工学院 材料系
• メディア出演情報一覧

本学 リベラルアーツ研究教育院長の上田紀行教授が、1月15日放送予定のNHK BSプレミアム「英雄たちの選択」にコメンテーターとして出演します。

テーマは「幕末の“ラストエンペラー”～孝明天皇 維新への道を決めた選択」です。

歴史の岐路に立ち、さまざまな選択肢の中からひとつを選び、決断をしてきた英雄たち。その英雄たちにも迷いや葛藤があったはずです。その決断の、背景と理由、その後の歴史の展開の可能性を、オリジナル映像によるシミュレーションとともに、各界の専門家がジャンルを越えて語り合います。

上田教授のコメント

• 番組名
  NHK BSプレミアム「英雄たちの選択」
• テーマ
  幕末の“ラストエンペラー”～孝明天皇 維新への道を決めた選択
• 放送予定日
  2020年1月15日（水）20：00 - 21：00
• 再放送予定日
  2020年1月22日（水）8：00 - 9：00

• 英雄たちの選択｜NHK
• イケてる学生、イケたい理工生こそ、東工大に来るべきですよ！ 1200人中１位の人気教授の講義とは？｜リベラルアーツ研究教育院 News｜リベラルアーツ研究教育院
• 上田紀行教授ウェブサイト
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 上田紀行 Noriyuki Ueda
• メディア出演情報一覧

要点

• 火星上で起きた小天体の衝突によって、火星表層物質が吹き飛ばされ、その一部が火星衛星フォボスに降り積もっている。
• 最新の数値計算によって、フォボスには従来の見積もりの10～100倍の火星表層物質が混入していることが明らかになった。
• 日本が進める火星衛星サンプルリターン計画では、火星の全歴史が解読可能なサンプルを、欧米による火星本体の探査に先行して手に入れられる可能性がある。

概要

東京工業大学 地球生命研究所（以下、ELSI）の兵頭龍樹研究員（現：国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構（以下、JAXA）宇宙科学研究所 国際トップヤングフェロー）と玄田英典准教授、千葉工業大学 惑星探査研究センターの黒澤耕介上席研究員、JAXA 宇宙科学研究所の臼井寛裕教授（ELSIアフィリエイトサイエンティスト）と藤田和央教授は共同で、火星衛星の表土に含まれる火星由来の物質の量と質に関する理論研究を実施しました。火星本体で実際に過去に起こった複数回の隕石衝突について数値計算を実施したところ、火星衛星フォボスには、火星表層物質が従来の見積もり^{[参考文献]}の10～100倍程度降り積もっていることがわかりました。さらにその表土には、火星の全領域かつ全時代からの物質が混入していることが明らかになりました。この研究成果により、JAXAが計画している火星衛星探査計画で採取される火星衛星サンプルは、全火星史解読の鍵という、質の面での新たな科学的価値を持つことになります。

成果は、2019年12月27日付けのネイチャー・リサーチ社の査読付き国際学術誌｢Scientific Reports｣電子版に掲載されました。

背景

「生命を育む惑星の起源と進化を知ること」という重要な科学目標を追求するにあたり、生命を持つ地球と似た表層環境をかつて保持していた火星は重要な探査対象になります。NASA（米国）とESA（欧州）は、「Mars2020」などの火星探査計画を協働して進めており、2030年代初頭の火星サンプルの地球帰還を目指しています。一方、JAXAは、「はやぶさ2」に続く次世代サンプルリターン計画として、火星衛星（フォボスとデイモス）を探査対象とした火星衛星探査計画（Martian Moons eXploration: MMX）を進めています。MMX計画では、2024年の探査機打ち上げ、そして2029年の火星衛星サンプルの地球帰還を目指しています。火星の近くを回っている衛星フォボスの表土には、火星本体の表層物質が混入している可能性があります。それは、火星本体に小天体が衝突することによって、火星表層物質が吹き飛ばされ、その一部がフォボスまで到達し、降り積もるためです（図1）。MMX計画では火星衛星の表土を採取しますが、同時に、火星衛星に混入した火星表層物質も採取できる可能性があります。

図1.

火星における無数の小天体衝突と、破片のフォボスへの輸送過程のイメージ図。小天体衝突は、火星形成後から恒常的に、あらゆる方向から飛来する衝突天体により、火星全球で起こります。本研究では、火星史で起こった衝突の衝突過程の数値計算と、破片の軌道計算を詳細に行うことで、火星物質の火星衛星（フォボス）への輸送量を定量的に算出しました。

研究成果

研究チームは、高解像度の衝突計算と破片の詳細な軌道計算を用いて、5億年前^注1から現在までの間に火星上に発生した小天体衝突による、火星からフォボスへの衝突破片の輸送過程を定量的に評価しました。具体的には、発生時期や規模が異なる、さまざまな種類の小天体衝突によってフォボスへ輸送される火星物質量をそれぞれ算出しました^注2（図2）。それらを合計した結果、従来考えられていたよりも10倍以上の量の火星表層物質がフォボスへ運ばれたことを示しました。さらに、火星のあらゆる場所で起こった小天体の衝突によって、火星の全球の表層物質がフォボスへ運ばれ、フォボスの表面に均質に混入することがわかりました。研究チームの見積もりでは、フォボスからサンプルを10 g採取した場合^注3、その中に少なくとも30粒以上の火星粒子が含まれます。それに対して、火星上で現在知られている地質年代区分は7つです。したがって火星物質粒子が30粒以上あれば、火星上のすべての年代区分、つまり全時代の情報を含んだサンプルを手にできる可能性が高いことになります。これらの結果は、JAXAが計画している火星衛星探査に、質の面での新たな科学的価値をもたらすものです^注4。

図2.

本研究で算出した、過去の小天体衝突によってフォボスへ輸送される火星表層物質の量。「Zunil」、「Corinto」、「McMurdo」、「Tooting」、「Mojave」は、火星表面上に存在する直径10 km以上の新しいクレータ（10万年以内）を作った衝突による輸送量。「Random」は、最近5億年間に直径100 km以下のクレータを作った無数の小天体衝突によって輸送される総量。「260 km」は、最近5億年間で少なくとも一度は起こると考えられる、直径260 kmのクレータを作る衝突による輸送量。「Total」は、これらの合計値。右の縦軸は、輸送された火星物質がフォボス表層1 mに均質に混ざった場合の、火星物質の割合を示します。1 ppm は、100万分の1の割合を表す単位です。

今後の展開

現在、欧米や中国、インド等、各国が火星探査を計画しており、2020年代には本格的な国際火星探査の時代に突入します。その中でも、NASAとESAが主導する火星本体からのサンプルリターン計画では、2020年に調査ローバー（Mars2020）が打ち上げられ、計画通り進めば、2026年打ち上げのサンプル回収機により、2031年に火星サンプルが地球に帰還します。このような火星サンプルリターン時代において、JAXAではMMX計画で火星衛星からのサンプルリターンを計画し、2029年のサンプル帰還を目指しています。

本研究の結果から、火星本体に行かずとも、火星衛星から火星表層物質を採取可能であることが明らかになりました。また、火星本体の探査では、ある特定の領域の詳細な調査およびサンプル回収ができますが、サンプル回収地域周辺の限られた地質と時代区分にしかアクセスできません。一方、火星衛星から採取される火星サンプルは、火星サンプルリターンに比べると少量ですが、火星史を包括的に理解できる多様な物質を含んでいると期待されます。

研究支援

本研究は科学研究費助成事業 JP17H03486、JP17H01176、JP17H02990、JP17H01175、JP17K18812、JP17J01269、JP18HH04464、JP18K13600、JP19H00726、及び自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの援助（AB301018）を受けて実施されました。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Transport of impact ejecta from Mars to its moons as a means to reveal Martian history
著者 :	R. Hyodo, K. Kurosawa, H. Genda, T. Usui, K. Fujita
DOI :	10.1038/s41598-019-56139-x

• プレスリリース 小天体衝突による火星から衛星への物質輸送、従来見積もりの10倍以上 ―火星衛星サンプルリターンで火星の全歴史の解明が可能―
• 火星衛星探査に向けた国際的な惑星保護方針への貢献について｜東工大ニュース
• 冥王星を含む太陽系外縁天体の衛星、太陽系初期の巨大天体衝突で形成された可能性｜東工大ニュース
• 隕石の記憶は容易に消去される｜東工大ニュース
• 天体衝突による火星隕石の放出メカニズムを解明 ―心太式加速による惑星間物質輸送―｜東工大ニュース
• 火星衛星に火星マントル物質の存在を予言 ―JAXA火星衛星サンプルリターン計画での実証に高まる期待―│東工大ニュース
• 冥王星のクジラ模様は衛星カロンを作ったジャイアント・インパクトの痕跡だった｜東工大ニュース
• 土星の輪、誕生の謎を解明｜東工大ニュース
• ケンタウルス族小天体のリングの起源を解明｜東工大ニュース
• 火星衛星フォボスとディモスの形成過程を解明―JAXA火星衛星サンプルリターン計画への期待高まる―｜東工大ニュース
• 地球と金星は異なるタイプの惑星か?―地球型惑星の2つの進化類型を解明│東工大ニュース
• 玄田英典准教授 研究ページ
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 玄田英典 Hidenori Genda
• 地球生命研究所（ELSI）
• 理学院 地球惑星科学系
• JAXA 宇宙科学研究所
• 千葉工業大学 惑星探査研究センター
• 研究成果一覧

要点

• 環状分子は他の形状分子と比べ特異な機能・物性を発現するが、合成が困難
• 溶媒中で加熱することで、選択的に単一の環状構造へと変換することに成功
• 大量合成に適し工業利用はもちろん環状骨格の詳細な機能・特性の解析に期待

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の青木大輔助教（JST さきがけ研究者兼務）、桑田繁樹准教授、大塚英幸教授らは、簡便な実験操作で、所望する分子骨格を環状のトポロジー（分子の形）へと変換する手法を開発した。

青木助教らは「加熱により安定ラジカル^[用語1]を発生する分子骨格」と「環化させたい分子骨格」を重合反応で化学的に連結させ、直鎖状高分子^[用語2]へと変換。その後に、直鎖状高分子を希釈し加熱することで、選択的かつ簡便に環状構造へとトポロジー変換させることに成功した。この手法に適用できる分子骨格は低分子から高分子と幅広く、環状構造の量産化とそれを利用した材料創製に役立つと期待される。

分子量が中程度以上の環状高分子も含む環状分子^[用語3] は、古くから他の形状の分子とは異なる特異な機能・特性を発現することが知られている。しかし環状という特異なトポロジーは、その合成を困難にしており、純度よく大量に合成する手法の開発が望まれていた。

研究成果は1月9日「Angewandte Chemie International Edition（アンゲヴァンテ・ケミー・インターナショナル・エディション）」に掲載された。

研究の背景

環状化合物、特に分子量が中程度からそれ以上の環状高分子は、古くから他の形状の化合物や高分子とは異なる特異な機能・特性を発現することが知られていた。しかし、一方で環状という特異な形状（トポロジー）は、その合成を困難にしており、狙った構造を選択的かつ大量に環状化する手法は今日の合成技術をもってしてもいまだ確立されていない。そのため、幅広い分野での工業的な利用はもちろん、学術的にも詳細な機能・特性の十分な解析は困難だった。

研究の経緯

環状化合物・高分子を合成^[用語4]する際に最も重要となる反応ステップは「環化のプロセス」であり、いかに環化反応を効率よくかつ選択的に進行させるかが重要な鍵となる。今回の研究では、この環化のプロセスを副反応なく、自発的かつ選択的に引き起こすために動的共有結合^[用語5]に着目した。

研究成果

青木助教らの研究グループは、環化のプロセスを副反応なく、自発的かつ選択的に引き起こすために動的共有結合に着目。中でも、熱によりその動的な特性を厳密に制御（on-off制御）することができる（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル）ジスルフィド骨格^[用語6]（以下 BiTEMPSと省略）は、以下の理由から研究を遂行する上で理想的な骨格であることを見いだした。

1.

100 ℃以上の加熱により特定の共有結合が可逆的に均一開裂し、安定ラジカルを発生する動的特性「on」状態、また加熱しなければラジカルは発生せず安定な共有結合として振る舞う= 動的特性「off」状態。

2.

熱によって発生する安定ラジカルの官能基許容性^[用語7] は高いため種々の分子骨格に適用できる。

3.

安定ラジカルの結合交換反応が非常に早く起こる。

4.

加熱するだけで反応を誘起でき、酸素ケアや高価な触媒を必要としない。

以上のような特性を有する動的共有結合ユニットであるBiTEMPS骨格を、「環化させたい任意の構造」と重合反応させることで、共有結合で連結させ直鎖状高分子へと変換した。次に、得られた直鎖状高分子を希釈し、加熱することで、選択的かつ簡便に環状構造へとトポロジー変換させることに成功した。

すなわち、動的な特性が「on」となる高温条件下において、他の外部因子（溶媒の種類や濃度）を適切に選択することで、所望する環状の形状へとそのトポロジーを変換させ、トポロジー変換後は、動的な特性が「off」となる100℃以下へと冷却することで、外部因子に応じて変形した環状のトポロジーを固定化することができる。

この手法は、所望の分子骨格を大量スケールで簡便に環化することができるため、従来にはない理想的な環状骨格の合成法と捉えることができる。また、環化する対象骨格を低分子とした場合、比較的高濃度条件（1 g / 100 mL およそ 20 mmol/L）においても環化反応を引き起こすことができ、さらにBiTEMPS骨格を1つのみ有する環状化合物を高収率で単離し、その構造をX線結晶構造解析^[用語8]により明確にすることにも成功した。

今後の展開

今回、開発した手法は酸素ケアや触媒が要らず、簡便な操作で行うことができることから、幅広い分野での工業的な利用はもちろん、学術的にも環状骨格の詳細な機能・特性についてより詳細な解析が期待できる。また狙った分子骨格に環状分子特有の分子認識能や包接能といった特異の機能・物性を付与することもできる。この研究を契機に、環状分子を機能材料開発のツールとする新しい材料設計の指針を立てることができる。

用語説明

[用語1] 安定ラジカル : ラジカルは不対電子（電子対にならない電子）を持つ原子や分子である。一般的にラジカルは反応性が高いために、生成するとすぐに他の原子や分子間で反応を起こし、安定な分子やイオンとなる。ラジカルは大気中の酸素とも反応するため、有機反応に利用する場合、酸素を系中から取り除く必要がある。本研究で扱うBiTEMPS骨格から発生するラジカルは、化学的安定性に優れたラジカルであるため酸素に対しても不活性であり、種々の反応に利用することができる。

[用語2] 直鎖状高分子 : モノマーと呼ばれる単位分子が重合し、連続して結合することで形成するひも状の高分子の総称。ひも状であるため2つの末端構造を有する。

[用語3] 環状分子 : 構成する原子が環状に結合した化合物であり、分子量が大きいものは環状高分子と呼ばれる。他の形状の分子と比べその内孔を利用した包接能や分子認識能といった特異な機能・物性を発現する。

[用語4] 環状分子（環状高分子を含む）の合成法 : 環状分子（環状高分子を含む）の合成法については、これまで（i）鎖状分子の両末端の連結、（ii）環状開 始剤の環拡大、及び（iii）縮合重合反応による環状成分の選択的合成、のおもに3つの方法が報告されている。それぞれの手法で利点がある一方で、（i）では他の高分子鎖との反応を避けるために高希釈条件での反応が必須である。 （ii）では環状の開始剤を合成する際に環化のプロセスを経ることと、適用できるモノマー構造が限定され所望の構造を導入することが困難である。（iii）では反応の起点となる官能基を高分子主鎖骨格中に導入する必要があり、また分子量とその分布の制御が難しい点に、それぞれ問題がある。

[用語5] 動的共有結合 : 共有結合でありながら可逆的な解離-付加を実現できる結合（動的共有結合）を利用する化学システムは、「動的共有結合化学（Dynamic Covalent Chemistry）」として注目を集めている。こうした平衡系の共有結合に基づく分子構造体は、熱力学的に安定な構造を有するが、特定の外部刺激（温度、触媒、光、化学種添加など）によってその構造が変化するというユニークな特徴を合わせもっている。

[用語6] ジスルフィド骨格 : 熱によってその動的特性を制御可能な（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル）ジスルフィド（BiTEMPS）の化学構造。

[用語7] 熱によって発生する安定ラジカルの官能基許容性 : 化学反応を進行させる上で問題となるのはその選択性である。狙った骨格同士を共有結合で連結できれば理想的だが、反応性が高いものほど意図していない他の骨格とも反応してしまう。狙った骨格に対して反応性をもっていながらそれ以外の骨格（官能基）とは反応しない「官能基許容性」は有機合成反応を設計するにあたって重要な指標となる。

[用語8] X線結晶構造解析 : 単結晶X線回折法は、1つの単結晶内の電子雲の規則性を利用し、そのX線干渉模様を計測し、それを数値解析することによって、実像である電子雲の空間分布を解き明かす手法である。単結晶X線回折法を利用することで結晶内部の原子がどのように配列しているかを決定することができる。

今回の研究成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られた。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	A Strategy toward Cyclic Topologies Based on the Dynamic Behavior of a Bis(hindered amino)disulfide Linker
著者 :	Nao Tsurumi, Rikito Takashima, Daisuke Aoki, Shigeki Kuwata, and Hideyuki Otsuka
DOI :	10.1002/anie.201910722

• プレスリリース 加熱だけで分子の形を環状に変換する手法を開発 ―環状構造の量産化とそれを利用した材料創製に貢献―
• 大塚研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 青木大輔 Daisuke Aoki
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 大塚 英幸 Hideyuki Otsuka
• 物質理工学院 応用化学系
• JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ
• 研究成果一覧

要点

• 高速炉を利用し4種類の長寿命核分裂生成物を効率的に短寿命化・減量
• 新しいLLFPターゲット集合体を考案
• LLFPターゲットおよび減速材の材料特性、製造性を実験により実証

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 先導原子力研究所の千葉敏教授、東北大学の若林利男名誉教授、東京都市大学 工学部 原子力安全工学科の高木直行教授、日本原子力研究開発機構の舘義昭博士らは、原子力発電所の放射性廃棄物に含まれる長寿命の核分裂生成物（LLFP）^[用語1]であるセレン（⁷⁹Se）、テクネチウム（⁹⁹Tc）、パラジウム（¹⁰⁷Pd）、ヨウ素（¹²⁹I）の4種について高速炉^[用語2]の炉心周辺に装荷することで、数10万年から1000万年以上の半減期を有するこれらの核種が半分になるのに要する時間を9年以下に短縮する方法を見出した。

この新LLFPターゲット集合体は、YD₂およびYH₂減速材^[用語3]を組み合わせ、さらにLLFPのテクネチウムを熱中性子フィルター材料として使うことにより、隣接する燃料集合体の熱スパイク^[用語4]を抑制しつつ、効率的な核変換を行うことができる。本方式はLLFPの同位体分離を要さないことも特徴である。

4核種の新LLFPターゲット集合体をナトリウム冷却MOX燃料（ウランとプルトニウムの混合酸化物）高速炉のブランケット領域に装荷した場合、サポートレシオ（SR）^[用語5]1以上を確保しつつ、約8%/年の高い核変換率が達成できる。またLLFPターゲット、YH₂およびYD₂減速材の材料特性と製造の実験を通じLLFPターゲット集合体の実現性が明らかとなった。さらに、今後の効果的な再処理方法の実現により、これらの核種量を最終的に1/100程度まで低減させる可能性が拓かれた。

文部科学省国家課題対応型研究開発推進事業原子力システム研究開発事業により東工大が委託を受けた「高速炉を活用したLLFP核変換システムの研究開発」の成果で、成果は「Scientific Reports」に2019年12月16日にオンライン掲載された。

背景

高速炉は、余剰中性子を活用することにより、消費した以上の燃料を増殖したり、廃棄物として生成したLLFPやマイナーアクチニド（MA）^[用語6]を低減するなど、さまざまな目的に活用できる。MAおよびLLFPの核変換に関する多くの研究が行われている。LLFPに関しては環境への影響を低減するという観点から重要な6核種の核変換研究が実施されている。6種のLLFPは⁷⁹Se、⁹³Zr（ジルコニウム）、⁹⁹Tc、¹⁰⁷Pd、¹²⁹I、¹³⁵Cs（セシウム）である。

本研究グループではこれまでにナトリウム冷却酸化物燃料高速炉の炉心周辺にYD₂減速材を適切に配置したLLFPターゲット集合体を装荷することにより、これら6種のLLFPを同時に核変換しサポートレシオ（SR）を1以上とする方法を明らかにしてきた。

しかしながら、この方法の核変換率は低いため、大量のLLFPを装荷し繰り返し照射のためリサイクルする必要があった。これにより、リサイクル中にLLFPが失われる可能性がある。高い核変換率を達成することは、LLFPターゲットをリサイクルする際のロスの削減に重要である。

6種のLLFPすべてについて高い核変換率とサポートレシオ>1を同時達成することは困難である。特に¹³⁵Csと⁹³Zrは中性子吸収断面積が低いため非常に難しいと考えられている。そのため地層処分上も問題となる⁷⁹Se（半減期33万年）、¹²⁹I（同1570万年）に加えて⁹⁹Tc（同21万年）および¹⁰⁷Pd（同650万年）を高い核変換率を達成する対象核種として選択した。

高い核変換率を達成するためには、LLFPターゲット内の減速材の割合を増加させることにより、熱中性子の数を増やす必要がある。この目的のために、先行研究で用いられた重水素（D）に加えて、水素（H）を適用するシステムを考案した。重水素と水素を組み合わせることにより、LLFPターゲット集合体に隣接する燃料集合体内の燃料ピン出力増加増大（熱スパイク）を抑制しつつ、高い核変換率を達成することが必要となる。

今回の研究では、同位体分離を行うことなく4種の長寿命核分裂生成物（⁷⁹Se、⁹⁹Tc、¹⁰⁷Pd、¹²⁹I）を高速炉の炉心周辺に装荷して高い核変換率を達成する方法を明らかにした。さらに、LLFPおよび減速材の材料特性と製造に関する実験により、LLFP核変換ターゲットの実現可能性も明らかにした。

研究成果

解析にはモンテカルロコードのMVPコードとMVP-burnコード^[用語7]を、核断面ライブラリーはJENDL-4.0^[用語8]を使用した。図1に高速炉におけるLLFPターゲット集合体の装荷位置を、表1に本手法による放射能半減期間短縮の度合いを示す。

⁷⁹Seの場合、高い核変換率と隣接する燃料集合体の出力ピークの低減の観点から、ZnSe（セレン化亜鉛）とYD₂の体積比は1：9に設定され、核変換率は10.4%/年になった。また、SRは約28を達成したことがわかった。

⁹⁹Tcの場合、隣接する燃料集合体の出力ピークを抑制するために、減速材としてYH₂とYD₂を混合する手段を取った。 YH₂とYD₂の体積比を6：4に変更し、⁹⁹Tcと減速材（YH₂ + YD₂）の体積比を1：9に変更すると、変換率は7.9%/年だった。SRは4.3で、SR > 1を満たしている。

¹⁰⁷Pdの場合、PdとYD₂の体積比を1：9に設定することにより、変換率は8.0%/年だった。これは、高い変換率と隣接する燃料集合体の出力ピークの低減の観点からである。SRは1.8を達成することも分かった。

¹²⁹Iについては、熱中性子フィルターを備えた新しい¹²⁹Iターゲット集合体 （図2参照）を発明し、隣接する燃料集合体の出力ピークを抑制した。熱中性子フィルターとして、¹²⁹Iターゲット集合体の外層がTcに置き換えられた。TcピンのTcの体積比を40%に変更し、BaI₂とYH₂の体積比を1：9に変更することにより、変換率は7.5%/年、SRは1.5だった。

LLFP核変換ターゲットの実現可能性は、LLFPターゲット、YH₂およびYD₂減速材の材料特性と製造に関する実験を通じて明らかにした。

これらの結果、LLFPを同位体分離を行うことなく高速炉のブランケット」領域に装荷することにより、表1のように⁷⁹Seは7年、⁹⁹Tc、¹⁰⁷Pd、¹²⁹Iを9年以下の照射時間で半分に減量可能であることが示された。これは放射能半減に要する時間を、約1/2万から1/200万に短縮できることを意味する。また、照射したLLFPターゲットの再処理方法を効率化することにより最終的な廃棄物量として1/100まで低減可能となることが分った。これにより地層処分の負担となる長寿命の放射性廃棄物処理に対する重要な進展が得られた。

今後の展開

今後はLLFPのリサイクルを考慮した核変換システム全体の研究が必要であると考える。LLFP核変換ターゲットの分離と回収のロス率を考慮し長寿命核分裂生成物を1/100まで低減する高速炉LLFP核変換システムの構築を目指す。また、軽水炉の使用済み燃料に含まれるLLFPを処理するシステムの研究も進めていく予定である。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Study on method to achieve high transmutation of LLFP using fast reactor
著者 :	Toshio Wakabayashi, Yoshiaki Tachi, Makoto Takahashi, Satoshi Chiba & Naoyuki Takaki
DOI :	10.1038/s41598-019-55489-w

• プレスリリース 長寿命核分裂生成物の半減時間を9年以下に短縮 ―高速炉を用いた効率的な核変換法を提案―
• 核分裂生成物の二つの転移機構を同時に説明可能な理論構築│東工大ニュース
• 超新星爆発ニュートリノで宇宙核時計テクネチウム98が生成されることを予言│東工大ニュース
• 核分裂時の原子核形状を把握するモデルを開発 ―核変換システム高度化や核分裂メカニズムの全容解明に道―│東工大ニュース
• 長寿命核分裂生成物を飛躍的に短寿命化する高速炉技術を利用した核変換システムを提案│東工大ニュース
• 低励起エネルギーにおける核分裂の動的様相│東工大ニュース
• S. Chiba Laboratory
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 千葉敏 Satoshi Chiba
• 東京工業大学 先導原子力研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 (IIR)
• 東北大学
• 東京都市大学 工学部 原子力安全工学科
• 日本原子力研究開発機構
• 研究成果一覧

※

1月15日9:10 お問い合わせ先に誤りがあったため、修正しました。

1月7日、公益社団法人日本化学会が、2019年度各賞（日本化学会賞、学術賞、進歩賞、女性化学者奨励賞、化学技術賞、技術進歩賞、化学教育賞、化学教育有功賞、化学技術有功賞）受賞者を発表しました。

東京工業大学からは、物質理工学院 応用化学系の田中克典教授が、第37回学術賞を受賞しました。

同学会によると、学術賞は「化学の基礎または応用の各分野において先導的・開拓的な研究業績をあげた者」を表彰する賞です。

授賞式は、2020年3月23日（月）に行われます。

受賞テーマ

生体分子の化学修飾法による機能解明と治療への応用

受賞理由

生体分子のアミノ基を利用した効率的な化学標識・複合化法を実現し、分子イメージングや治療戦略を改革する独創的研究を展開した。さらに、タンパク質に複数種の糖鎖を均一に複合化させて、標的の細胞上で「パターン認識」を効果的に発揮させることにより、がん細胞を自在にターゲティングするとともに、その細胞内で触媒的に抗がん活性分子を合成して治療することを可能とした。これら「低毒性・高効率な万能標識法」、「糖鎖パターン認識」、ならびに「生体内合成化学治療法」の一連の成果は国際的にも高く評価されており、日本化学会学術賞に値するものと認められた。

今回の受賞について田中克典教授は次のようにコメントしています。

• 触媒駆動型の生体内エチレンセンサー｜東工大ニュース
• 田中克典研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 田中克典 Katsunori Tanaka
• 物質理工学院 応用化学系
• 【お知らせ】2019年度各賞受賞者が決定｜公益社団法人日本化学会

要点

• 東工大のラマン分光技術と台湾科技大の触媒反応技術を組み合わせて実現
• 触媒表面における化学反応メカニズムを解明、最適な反応条件を見つけ出す
• 廃棄物の資源化、水素の産生により持続可能な社会構築に向け大きな貢献

概要

東京工業大学 物質理工学院 材料系の林智広准教授らは台湾国立科学技術大学のジア－イン チャン准教授（Prof. Chia-Ying Chang）のグループとの国際共同研究により、バイオディーゼル燃料の生産過程で廃棄物となるグリセロール^[用語1]から、付加価値の高いジヒドロキシアセトン（dihydroxyacetone、DHA）^[用語2]と水素を選択的に生成する技術の開発に成功した。安価な触媒である酸化銅（CuO）を用いた電気化学的反応により達成した。

本研究グループは、東工大のラマン分光^[用語3]技術と台湾科技大の触媒反応技術を組み合わせることにより、触媒表面における化学反応メカニズムを解明し、最適な反応条件を見つけ出した。この研究によって、廃棄物の資源としての再利用に加え、水素の産生という2つの異なる成果が生まれ、持続可能な社会の構築へ向けた大きな貢献が期待される。

研究成果は、オランダの科学誌「Applied Catalysis B: Environmental（アプライド・カタリスィス・エンバイロメンタル）」オンライン速報版に2019年12月19日（現地時間）に掲載された。

研究成果

本研究の成果はCuOという地球上に豊富に存在し、かつ安価な材料を触媒として、バイオディーゼル製造の際の廃棄物であるグリセリンから、化粧品、甘味料などに使用されるDHAおよび水素を選択的に製造する技術を確立したことである。特にCuO触媒表面における化学反応を、ラマン分光を用いてその場観察^[用語4]することで、反応メカニズムの解明、反応選択性を最大化するための反応条件の最適化の2つを達成した。

研究の背景

バイオディーゼル燃料（BDF）はカーボンニュートラルな軽油代替燃料として注目されているが、その製造時には副産物として原料の10%程度のグリセロール（グリセリン）が生成される。このグリセロールには有効な応用用途がなく、付加価値が高い物質への転換方法が求められていた。この物質転換の研究には金、白金などの貴金属が触媒に用いられていたが、地球上により豊富に存在する安価な触媒が求められていた。

図1.

本研究の成果によって可能となるバイオディーゼル燃料の生産と廃棄物再生プロセス。バイオディーゼル燃料生産（左）における副生産物であるグリセリンから付加価値の高いDHAと水素を生み出す（右）。

今後の展開

現在、本国際共同研究において、さらなる新触媒の開発、反応効率の向上という2つの観点から実用化に向けた研究が進んでいる。触媒の種類、溶液条件（特にpH値）などの違いによる反応経路の違いなどのデータが蓄積してきたことから、今後は機械学習などの情報科学的手法との融合により、最小限の実験で最適な物質変換条件を導出する技術の開発を行っている。

論文情報

掲載誌 :	Applied Catalysis B: Environmental
論文タイトル :	Selective Electro-oxidation of Glycerol to Dihydroxyacetone by a Non-precious Electrocatalyst - CuO
著者 :	Chin Liu, Makoto Hirohara, Tatsuhiro Maekawa, Ryongsok Chang, Tomohiro Hayashi, Chia-Ying Chiang
DOI :	10.1016/j.apcatb.2019.118543

• プレスリリース 廃棄グリセロールからDHAと水素の生産に成功 ―地球上に豊富に存在する安価な酸化銅を触媒に採用―
• 林研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 林智広 Tomohiro Hayashi
• 林智広研究室 ―研究室紹介 #42―｜材料系 News
• 物質理工学院 材料系
• 研究成果一覧

東京工業大学のグローバル水素エネルギー研究ユニット（GHEU）は、将来の「水素社会」に向けて、水素の利用体系について総合的かつ技術的な検討を進め、産官学の連携の下、さまざまな活動を展開しています。

加えて、国内外の水素利用技術の現状と将来展望を関係者の間で共有するために、公開シンポジウムを1年に1回開催しています。

5回目となった今回のシンポジウムのテーマは「脱炭素に向けた水素導入の社会ビジョン」です。11月21日に東工大蔵前会館くらまえホールで開催し、来場者は今年も300人を超えて、308人となりました。

来場者の所属も多様で、大学や研究機関の関係者をはじめ、メーカーやエネルギー関連企業、建設会社、商社など幅広い分野にわたる企業の方々や、政府や自治体の方々など、多くの分野の方が集まりました。

講演の中でも、コストについての話題が多く出て、水素利用技術の実現に向けて現実味が増していることを感じる内容となりました。

また、シンポジウムの後には意見交換会の場も用意され、多数の方が参加。異分野の交流の輪が広がっていました。

今回は、脱炭素に向けた新しい社会ビジョンや国内の水素エネルギー戦略の最新情報について、二つの招待講演を実施しました。

招待講演

株式会社三菱総合研究所 理事長（東京大学 第28代総長） 小宮山 宏氏

経済産業省 資源エネルギー庁 省エネルギー・新エネルギー部 新エネルギーシステム課
水素・燃料電池戦略室 課長補佐 宇賀山 在氏

パネル討論

• パネリスト
  前 東芝エネルギーシステムズ株式会社 水素・燃料電池技師長 中島良氏
  一般社団法人 日本ガス協会 企画ユニット 環境部長 深野行義氏
  一般社団法人 燃料電池開発情報センター 事務局長 羽藤一仁氏
  川崎重工業株式会社 技術開発本部 水素チェーン開発センター プロジェクト推進部 部長 新道憲二郎氏
  東京工業大学 工学院 機械系 平井秀一郎 教授
  東京工業大学 環境・社会理工学院 技術経営専門職学位課程／イノベーション科学系 梶川裕矢 教授

• モデレータ
  東京工業大学 科学技術創成研究院 特命教授
  グローバル水素エネルギー研究ユニット 岡崎健ユニットリーダー

招待講演の後は、パネル討論が開かれました。岡崎ユニットリーダーがモデレータを務め、6人のパネリストがさまざまな話題を提供しました。

その中で、「オリパラ後のさらなる水素利活用を進めるには、ゴールの量的ポテンシャルをにらんだ上で『導入中間シナリオ』が必要」という意見や、「水素利用技術を導入する時期の初期はインセンティブ制度が重要」という指摘が出ました。

また、「大きなビジョンを描き水素をいろいろな形で使って需要をまとめる」ことの重要性や、「水素キャリアを合成メタンにすることで都市ガスのインフラを活用し社会コストを抑制しつつ脱炭素化に貢献できる」という考えも提示されました。

さらに、「オリパラを契機に水素の新しい魅力を考える必要がある」という声や、「水素エネルギーは国際的な安全保障にも寄与する」という見方など、いろいろな発言が次々に出ていました。

東工大 新エネルギー研究／教育コンソーシアム発足講演

• 講演1： 「コンソーシアムが目指すエネルギー社会と研究概要」
  東京工業大学 物質理工学院 応用化学系 伊原学 教授

• 講演2： 「最適化アルゴリズムのエネルギーシステムへの展開の可能性」
  東京工業大学 情報理工学院 情報工学系 小野功 准教授

• 講演3： 「再生可能エネルギー大量導入に向けた連系用インバータによる系統安定化機能の開発」
  東京工業大学 工学院 電気電子系 河辺賢一 助教

• 
  講演する伊原教授
• 
  講演する小野准教授
• 
  講演する河辺助教

本学は、新しいエネルギー社会構築に関する研究／教育コンソーシアム「InfoSyEnergy（インフォシナジー）研究／教育コンソーシアム」を新設します。このコンソーシアムは、ビッグデータ科学を活用して新しいエネルギー社会をデザインしていきます。

今回のシンポジウムでは、その概要と関連研究の紹介もしました。

まず、本学の水本哲弥理事・副学長（教育担当）があいさつをしました。

その中で、本学における三つの重点分野の一つがエネルギーであり、ビッグデータ科学を水素エネルギーなどいろいろなエネルギー研究に積極的に活用し、産業界も巻き込んで総合的なエネルギーの共同研究や特徴的な教育プログラムを実施するための組織として、この「InfoSyEnergy研究／教育コンソーシアム」を設立したと説明しました。

続いて、このコンソーシアムの代表を務める伊原教授が、「InfoSyEnergy研究／教育コンソーシアムが目指すエネルギー社会と研究概要」と題して、学内の60名以上の教授、准教授を中心に、ここで取り組んでいく9つの重点研究テーマについて説明しました。

10年以上の枠組みとして作ったこのコンソーシアムで、大学と企業が一緒になって、学理をベースにした共同研究の実施とビジョンの共有をしていきたいと抱負を語りました。

また、すでに10社以上のInfoSyEnergyコンソーシアムへの参画が決まっており、企業紹介がありました。

また、このコンソーシアムに参加する小野准教授が、「最適化アルゴリズムのエネルギーシステムへの展開の可能性」という題で、自身の研究を説明しました。

試行錯誤を通じて目的関数を最小にする解を探索する「進化計算」が、エネルギーシステムに展開できる可能性を示しました。

最後に、若手の河辺助教が登壇しました。「再生可能エネルギー大量導入に向けた連系用インバータによる系統安定化機能の開発」と題して、再生可能エネルギーが電力系統の安定性に与える影響を解説しながら、インバータ連系リソースが系統の安定化に貢献することを説明しました。

シンポジウム後には、東工大蔵前会館 ロイアルブルーホールにて意見交換会が行われ、本学の益一哉学長があいさつしました。シンポジウムの熱気が引き継がれ、活発な議論が交わされました。

• 東京工業大学 科学技術創成研究院 グローバル水素エネルギー研究ユニット
• 研究ユニット｜東京工業大学 科学技術創成研究院（IIR）
• 東工大グローバル水素エネルギー研究ユニット 第4回公開シンポジウム開催報告｜東工大ニュース
• 東工大グローバル水素エネルギー研究ユニット 第3回公開シンポジウム 開催報告｜東工大ニュース
• 東工大グローバル水素エネルギー研究ユニット 第2回公開シンポジウム 開催報告｜東工大ニュース
• 東工大　グローバル水素エネルギーコンソーシアム発足記念シンポジウム　開催報告｜東工大ニュース

東京工業大学の教職員4名および本学学位取得者1名が2019年12月12日、公益財団法人井上科学振興財団（以下、井上財団）の第36回井上学術賞・井上研究奨励賞を受賞しました。

井上学術賞は、自然科学の基礎的研究で特に顕著な業績を挙げた50歳未満（申込締切日時点）の研究者に対して授与されるもので、賞状および金メダル、副賞200万円が贈呈されます。今回は、関係する38学会および井上財団の元選考委員や井上学術賞の過去の受賞者など155名に候補者の推薦依頼がなされ、32件の推薦を受け、選考委員会による選考を経て5件が採択されました。

井上研究奨励賞は、理学、医学、薬学、工学、農学等の分野で過去3年間に博士の学位を取得した37歳未満（申込締切日時点）の研究者のうち、優れた博士論文を提出した若手研究者に対して授与されるもので、賞状および銅メダル、副賞50万円が贈呈されます。今回は、関係242大学に候補者の推薦を依頼したうち38大学から133件の推薦があり、選考委員会における選考を経て40件が採択されました。

贈呈式は2020年2月4日（火）に行われます。

上記の賞を受賞した東工大関係者は以下のとおりです。

井上学術賞

• 笹川崇男准教授がフロンティアサロン第7回永瀬賞特別賞を受賞｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 笹川崇男 Takao Sasagawa
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）

井上研究奨励賞

• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鳥海尚之 Naoyuki Toriumi
• 理学院 化学系

• 研究者詳細情報（STAR Search） - 坂野遼平 Ryohei Banno
• 情報理工学院｜学院｜組織一覧｜東工大について

• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）

関連リンク

• 新着情報 | 井上科学振興財団
• 本学教員および本学学位取得者4名が第35回井上学術賞・井上研究奨励賞を受賞 | 東工大ニュース
• 本学教員等4名が第34回井上研究奨励賞を受賞 | 東工大ニュース
• 本学教員および本学学位取得者が第33回井上学術賞、井上研究奨励賞を受賞 | 東工大ニュース
• 紋野雄介研究員が第32回井上研究奨励賞受賞｜東工大ニュース
• 玉置悠祐助教と野村龍一WPI研究員が第31回井上研究奨励賞受賞｜東工大ニュース

要点

• 腸内細菌は、胃切除を含む様々な治療と関連する可能性があることが知られていますが、治療による腸内環境への影響は詳細には明らかになっていませんでした。
• 本研究では、便検体を用いたメタゲノム解析およびメタボローム解析により、健常者と胃切除術を受けた患者を比較し、胃切除術後の患者に特徴的な腸内細菌叢やその機能、代謝物質の変化を明らかにしました。
• 胃切除後の患者にみられる腸内細菌の豊富さと多様さは、腸内細菌の代謝機能の変化を反映していると考えられます。
• また、大腸がんに関連する細菌や代謝物質の量が、胃切除後の患者、特に胃全摘術後の患者では相対的に多いことも確認されました。
• 便検体を用いた腸内環境の評価は今後、胃切除後の低栄養や貧血などの併発症の要因を解析する非侵襲な手法としての応用が期待されます。

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の山田拓司准教授と大阪大学 大学院医学系研究科の谷内田真一教授（ゲノム生物学講座・がんゲノム情報学、前国立がん研究センター研究所・ユニット長）、慶應義塾大学先端生命科学研究所の福田真嗣特任教授、国立がん研究センター・中央病院 内視鏡科の斎藤豊科長らの研究グループは、胃がんの治療として胃切除^[用語1]の手術を受けた患者を対象に、凍結便を収集しメタゲノム解析^[用語2]やメタボローム解析^[用語3]を行いました。

腸内細菌は、病気の発症や進行だけでなく術後の病状にも関与しています。本研究では、胃切除後の患者の併発症や栄養状態などの改善を目的として、これまでほとんど解明されていない、胃切除の影響による腸内細菌叢^[用語4]の構造や代謝物質の変化を調べ、術後の併発症^[用語5]との関連性を検討しました。その結果、胃切除術を受けた患者は健常者と比較して腸内環境に大きな違いがあり、大腸がんと関連する細菌や代謝物質が増加していることを明らかにしました。この成果は、便検体を用いて腸内環境を評価することにより、胃切除後の併発症の要因を理解し個々人の腸内環境を評価することで、胃切除後の併発症の予防や治療に貢献する医薬品などを生み出す可能性を示すものです。

本研究は1月17日に英国学会誌「Gut」に掲載されました。

背景

ヒト一人の細胞数が約37兆個であるのに対し、ヒト一人あたりの腸内細菌数はおよそ40兆個、重さにして約1～1.5 kgとされています。これらの腸内細菌叢の乱れが炎症性腸疾患^[用語6]などさまざまな疾患と関係することが、最近になって分かってきました。また腸内細菌が、胃切除を含むさまざまな治療と関連する可能性があることも報告されています。胃切除は胃がんや重篤な肥満の治療法であり、欧米における肥満の治療のための胃切除手術の場合、術後の体重減少が腸内細菌叢の変化と関連することが報告されています。しかしながら、胃がんの治療のための胃切除による腸内環境への影響は、これまでほとんど明らかになっていませんでした。胃切除術後には、低栄養や貧血、ダンピング症候群などの併発症があります。また胃がんの患者は、腸内細菌との関連が指摘されている異時性大腸がんを術後に発症するリスクが高いことが知られています。したがって、胃切除術を受けた患者における腸内環境を探索することは重要と考えられました。

研究成果

研究グループでは、国立がん研究センター・中央病院 内視鏡科（斎藤豊科長ら）を受診し、大腸内視鏡検査（大腸カメラ）を受けた106名の受検者（胃切除した患者50人と健常者56人）を対象として、食事などの「生活習慣などに関するアンケート」調査、凍結便、大腸内視鏡検査所見などの臨床情報を収集しました。この凍結便に対して、東京工業大学（山田拓司准教授ら）や慶應義塾大学先端生命科学研究所（福田真嗣特任教授ら）と共同で、メタゲノム解析とメタボローム解析を行いました。その上で、胃切除した患者50人と健常者56人の腸内細菌叢を比較し胃切除後の患者に特徴的な細菌や代謝物質を探索しました。

その結果、胃がんの治療のための胃切除術と、それに伴う消化管の再建が、患者の腸内環境に大きな影響を与えることが明らかになりました。これを踏まえて、胃切除後の生理学的な変化が、腸内細菌叢や代謝物質にどのような変化をもたらし、それが術後の病態にどのように影響するのかという、それぞれの変化の関連性について検討しました（図1）。

本研究で行った解析では、胃切除後の患者は健常者と比較して、腸内細菌の種の豊富さ^[用語7]と種の多様性^[用語8]の高さが確認されました（図2 A、B）。これらの違いは、胃切除による腸内環境の変化を反映している可能性があります。その変化の1つとして、胃切除後の患者では、口腔内でよく検出される細菌の相対的な量が多いことが確認されました（図2C）。

胃切除術は、栄養障害、貧血、下痢、ダンピング症候群^[用語9]などを引き起こすなど、術後の患者の代謝に影響を及ぼすことも広く知られています。本研究の解析でも、術後の患者の代謝の変化に関連する、腸内細菌の代謝機能の変化が見られました。例えば、胃切除後の患者では、小腸でのビタミンB12の吸収不足が知られていますが、今回の解析でも、ビタミンB12が小腸で吸収されずに大腸まで残り、それを細菌が利用するべく、ビタミンB12の摂取能力を持つ細菌が増加することが観察されました。

胃がんの患者は、異時性大腸がん^[用語10]を発症するリスクが高いことも報告されています。胃切除後の発がんメカニズムは、散発性大腸がん（通常の大腸がん）とは異なる可能性がありますが、本研究では、散発性大腸がんに関連することが知られている細菌の種類や代謝物質が胃切除後に多いことが観察されました。研究チームは最近、大腸がんの発生の初期にのみ増加する細菌を同定しています（Nature Medicine 2019年6月号）。今回の解析でも、その1つであるAtopobium parvulum（図2D）や、発がんの初期から関連することが知られているFusobacterium nucleatum（図2E）が、胃切除後の患者で増加していることが認められました。特に、胃全摘術を受けた患者では、Fusobacterium nucleatumの量が多いことも確認されました（図2F）。さらに、肝臓がんおよび散発性大腸がんにおいて発がん性が知られているデオキシコール酸も、胃切除後の患者の便中に多く含まれていました（図3B）。こうした結果は、胃切除後の患者に対する定期的な全身のフォローアップの重要性を示しています。

胃切除による生理学的な変化を灰色、本研究により明らかになった腸内環境の変化を青色、その腸内環境の変化による影響を赤色で示しています。実線の矢印は、本研究の結果から説明できる繋がりを表しています。破線の矢印は、それぞれの繋がりが先行研究によって得られた仮説であることを表しています。

腸内細菌の種の豊富さ（A）とその多様性（B）はどちらも、胃切除後の患者で多いことが確認されました。（D、E、F）は、大腸がんの発がんとの関連性が報告されている細菌の一部の相対的な存在量を表しています。発がんの初期にのみ量が多いAtopobium parvulum（D）と、発がんの初期に関係することが知られているFusobacterium nucleatum（E）は胃切除後の患者で多いことが分かりました。また、Fusobacterium nucleatumは胃を全摘出した患者で特に多いことが確認されました（F）。D、E、Fでは図中の外れ値を省略して表示しています。

メタボローム解析により、胆汁酸^[用語11]と関連がある代謝物質が胃切除後の患者で変化していることが認められました。肝臓がんおよび散発性大腸がんで発がん性が知られているデオキシコール酸は、胃切除後の患者で多いことが確認されました。一次胆汁酸であるタウロコール酸とグリココール酸は肝臓で生成され、その後腸肝循環^[用語12]によって腸管内へ移動され、腸内細菌によってコール酸と二次胆汁酸の1つであるデオキシコール酸へ代謝されることが知られています。図中の代謝物質の箱ひげ図は外れ値を省略して表示しています。

今後の展開

本研究では、胃切除後の病態メカニズムを腸内環境の変化という観点から検討しました。その成果は、胃切除だけではなく、他の疾患の治療後の長期的な併発症にも応用可能なフレームワークの可能性を示しています。また、本研究成果は、胃切除後の患者に定期的に大腸内視鏡検査を行って、異時性大腸がんの発生を早期に発見する必要性がある可能性を示唆しています。本研究で明らかになった知見は、便検体を用いた腸内環境の観点から、胃切除後の低栄養や貧血などの病態を理解し、今後、その病態を非侵襲的に評価する手法として応用される可能性や、術後の栄養状態の改善などに腸内細菌の観点から介入し、それらを改善する医薬品や健康食品などを生み出す可能性があります。

支援事業

本研究は下記事業の支援を受けて行われました。

• 日本医療研究開発機構（AMED）難治性疾患実用化研究事業「医と食をつなげる新規メカニズムの解明と病態制御法の開発」

  研究開発課題 ： 生体試料（糞便や腸管粘膜等）のサンプリング法や解析法（特にメタゲノムならびにメタボローム解析）の標準化と臨床情報を含む統合的情報基盤の構築

  研究代表者 ： 谷内田真一（大阪大学 大学院医学系研究科 がんゲノム情報学 教授、前 国立がん研究センター がんゲノミクス研究分野・特任ユニット長）

• 日本医療研究開発機構 次世代がん医療創生研究事業（P-CREATE）

  研究開発課題 ： “Microbiome-Based Precision Medicine”を見据えた腸内微生物叢の変動に基づく大腸がん発症機構の解明と予防・診断・治療技術の創出

  研究代表者 ： 山田拓司（東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系 准教授）

• 科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 さきがけ

  研究領域 ： ビッグデータ統合利活用のための次世代基盤技術の創出・体系化

  研究課題名 ： ヒト腸内環境ビッグデータ

  研究者 ： 山田拓司（東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系 准教授）

• 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 AIP加速課題

  研究課題名 ： ヒト腸内環境ビッグデータを基軸としたMicrobiome-based Precision Medicine

  研究代表者 ： 山田拓司（東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系 准教授）

論文情報

掲載誌 :	Gut
論文タイトル :	Influence of gastrectomy for gastric cancer treatment on faecal microbiome and metabolome profiles
著者 :	Pande Putu Erawijantari1, Sayaka Mizutani1,2, Hirotsugu Shiroma1, Satoshi Shiba3, Takeshi Nakajima4, Taku Sakamoto4, Yutaka Saito4, Shinji Fukuda5,6,7, Shinichi Yachida3,8*, Takuji Yamada1* 1School of Life Science and Technology, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan 2Research Fellow of Japan Society for the Promotion of Science, Tokyo, Japan 3Division of Cancer Genomics, National Cancer Center Research Institute, Tokyo, Japan 4Endoscopy Division, National Cancer Center Hospital, Tokyo, Japan 5Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Yamagata, Japan 6Intestinal Microbiota Project, Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology, Kanagawa, Japan 7Transborder Medical Research Center, University of Tsukuba, Ibaraki, Japan 8Department of Cancer Genome Informatics, Graduate School of Medicine, Osaka University, Osaka, Japan *Corresponding authors（責任著者）
DOI :	10.1136/gutjnl-2019-319188

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要点

• 炭素―炭素の結合の形成反応に高い活性と安定性をもつ固体触媒を発見
• 触媒となる物質はY₃Pd₂という化合物で電子が陰イオンとして働く電子化物
• 優れた特性はイオン化しやすい電子と負の電荷をもったパラジウムに起因

概要

東京工業大学 元素戦略研究センター長の細野秀雄栄誉教授、同センターの叶天南（Tian-Nan Ye）特任助教、北野政明准教授らは、金属間化合物^[用語1]のなかで、電子が陰イオンとして働く電子化物（エレクトライド）^[用語2]であるY₃Pd₂（イットリウム・パラジウム）が、鈴木カップリング反応^[用語3]に対して高い活性と安定性をもつ固体触媒として機能することを見出した。

電子化物はこれまでアンモニアの合成や分解、オレフィン類^[用語4]の選択的な水素化反応の触媒として有効に機能することが見出されてきたが、今回の研究成果により、電子化物の新たな適用範囲が広がったことになる。

炭素―炭素の結合形成^[用語5]は、有用な有機分子を合成するのに極めて重要である。その中でも鈴木カップリング反応は取扱いが容易で適用範囲が広いため、工業分野で広く応用されている。その触媒としては溶媒に溶けるパラジウムの錯体が一般的に用いられているが、パラジウムを含む固体で活性が高く安定な物質であれば、反応後に触媒の回収が容易になるなどのメリットがある。

研究成果は英国科学誌Nature Communications（ネイチャー・コミュニケーション）オンライン版に2019年12月11日に掲載された。

背景

鈴木カップリング反応は、有機化学で最も重要な化学反応の一つである炭素―炭素の結合を生成するのに広く用いられている。

この反応では一般的に可溶性のパラジウムの錯体が触媒として用いられている。固体のパラジウム触媒を用いてこの反応を効率よく進めることができれば、反応物、出発分子や溶媒と触媒の分離が容易になる。さらに高価なパラジウムが構造中にしっかり組み込まれた金属間化合物では、反応によって表面からパラジウムの溶出が抑えられ、再利用性に優れたものが得られると期待できる。

研究成果

空気中でも安定な金属間化合物Y₃Pd₂（図1）を鈴木カップリングの触媒に用いると、図2のようにパラジウム（Pd）金属だけの場合よりも触媒活性が大幅に増大し、反応の活性化エネルギーも約30%減少した。また、触媒を繰り返して使用しても活性の低下は観測されず、それ自体にも変化が見られなかった。このような触媒活性と安定性はこれまで同反応に対して報告された固体触媒の中で最も優れていると判断できる。

図2.

検討したカップリング反応（上）、触媒の活性（中）と反応の繰り返しによる安定性（下）。 Pd金属に比べ、反応速度、TOF（触媒回転数）も大幅に増大し、活性化エネルギー（Ea）は30%程度減少している。

研究の経緯

電子がアニオン（陰イオン）としてみなすことができる物質は電子化物（エレクトライド）と総称される。細野栄誉教授らの研究グループは、これまで電子化物で最大の課題となっていた空気中で安定な物質を2003年に初めて実現して以来、電子化物の物質科学とその応用に力を注いでいる。

これまでの研究で、電子がいずれの構成元素の軌道に属さないので、仕事関数^[用語6]が小さいという普遍的な物性を有することを明らかにしており、この物性を活用できる応用を検討してきた。温和な条件下でのアンモニア合成触媒の開発はその一例である。2016年には電子化物の母物質は絶縁体だけでなく、金属間化合物まで拡張できることを報告した。

Y₃Pd₂は結晶構造内に3種の空隙が存在し、そこに高い電子密度をもつ金属間化合物である。その仕事関数は3.4 eV（電子ボルト）で、パラジウム金属（5.1 eV）より圧倒的に小さい。また、パラジウムは電子陰性度^[用語7]の小さいイットリウムによって、X線光電子分光のピークの位置から分かるように、明確に負の原子価になっている。

低仕事関数のアニオン電子^[用語8]と負の原子価をもつパラジウムによって、反応分子であるハロゲン化アリール^[用語9]に作用して電子を供与することで、カップリング反応の律速段階である炭素―ハロゲン結合の切断を促進することで、優れた触媒作用を示すと考えられる（図3）。

今後の展開

今回の研究は金属間化合物の電子化物を炭素―炭素結合の生成反応の触媒に応用したもので、金属間化合物の電子化物LaCoSi（ランタンとコバルトの金属間化合物）のアンモニア合成触媒（2018 Nature Catalysisに掲載）に続くものである。今後、より価値の高い反応へ展開することをめざしている。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Palladium-bearing intermetallic electride as efficient and stable catalyst for Suzuki cross-coupling reactions（鈴木カップリング反応に適した高効率で安定な触媒としてのパラジウム系金属間化合物エレクトライド）
著者 :	叶天南（Tian-Nan Ye）、Yangfan Lu、肖泽文（Zewen Xiao）、李江（Jiang Li）、中尾琢哉（Takuya Nakao）、阿部仁（Hitoshi Abe）*、丹羽尉博（Yasuhiro Niwa）、北野政明（Masaaki Kitano）、多田朋史（Tomofumi Tada）、細野秀雄（Hideo Hosono） （*高エネルギー加速器研究機構、他は東工大元素戦略研究センター）
DOI :	10.1038/s41467-019-13679-0

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• 研究者詳細情報（STAR Search） - 北野政明 Masaaki Kitano
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 高エネルギー加速器研究機構
• 研究成果一覧

要点

• これまで困難だった架橋高分子の粉末を混合一体化する革新的手法を開発
• 可逆的に分子が組み換わる「動的共有結合」による架橋高分子の自己修復に関する独自の研究成果を異種架橋高分子の接着に展開
• 開発された接着方法は簡便であり、多くの高分子新素材開発への展開に期待

概要

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の大塚英幸教授、青木大輔助教らは、再加工が困難とされる架橋高分子^[用語1]の粉末を分子レベルで接着させ、簡便な操作で新規の高分子素材をつくる革新的手法を開発した。可逆的に分子が組み換わる動的共有結合^[用語2]を利用する自己修復性高分子^[用語3]に関する独自の研究成果を活用し、架橋高分子の粉末を複数混合、加熱することによって、異種架橋高分子を分子レベルで接着させることに初めて成功した。

動的共有結合は従来から知られる一般的な高分子合成法によって導入できる。また接着方法も簡便なため、今後、多くの高分子新素材開発への展開が期待されるだけでなく、異種材料の革新的な接着技術としても応用が期待される。

分子の鎖が網目状につながった架橋高分子は、ゴムのような柔らかい素材から樹脂のような硬い素材まで、化学構造の違いによって多様な性質を示し、汎用材料から最先端素材まで私たちの生活を支えている。大塚教授らはこれまでに、架橋高分子の一部に組み換え可能な特殊な共有結合を導入することにより、高分子材料の内部や界面で共有結合が組み換わり、架橋高分子に自己修復性を付与することに成功している。

研究成果は2019年12月30日発行のドイツ化学会誌（Wiley-VCH）「Angewandte Chemie（アンゲヴァンテ・ケミー）International Edition」に掲載された。

研究の背景

異なる素材を効率的に接着させることで、多くの製品がつくられているが、部品を接合させるための部材や接着剤を使わずに異種材料の接着を行うことで、例えば、自動車や航空機の部材などの軽量化を実現でき、燃費向上による省エネ化、低炭素化に貢献することが期待されている。部材や接着剤を使わない接着技術を実現するためには、分子の鎖が網目状につながった架橋高分子の接着技術が必要である。架橋高分子は柔らかい素材から硬い素材まで、化学構造の違いによってさまざまな性質を示し、汎用材料から最先端素材まで私たちの生活を支えている。だが、架橋高分子は溶解性や溶融性を示さないため、異なる架橋高分子を混合一体化することが困難という課題があった。

大塚教授らはこれまでに、架橋高分子の一部に「動的共有結合^[用語2]」と呼ばれる組み換え可能な共有結合を導入することで、高分子材料の内部や界面で共有結合が組み換わり、架橋高分子に亀裂や傷を復元できる自己修復性を付与することに成功している。しかしながら、こうした成果は同一の架橋高分子に限られており、異なる架橋高分子を使った技術に適用された例はない。

研究成果

大塚教授らは自己修復性高分子に関する独自の研究成果を活用して、動的共有結合を組み込んだ架橋高分子の粉末を複数混合し、加熱することで、異種架橋高分子を分子レベルで接着させて混合一体化ことに初めて成功した（図1）。動的共有結合は、従来からよく知られている一般的な高分子合成法によって、架橋高分子の中に導入された。

今回の研究では、これまで自己修復性を付与するために利用していた熱により動的性質を示すビス（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル）ジスルフィド （BiTEMPS）^[用語4]と呼ばれる分子骨格の組み換え反応に基づいた、異種架橋高分子間の新規融合手法を開発した。BiTEMPSは以下の理由から穏和な条件で異種架橋高分子の融合を実現する上で理想的な骨格であることを見いだした。

1.

100℃程度の加熱により特定の共有結合が可逆的に均一開裂^[用語5]し、安定ラジカルを発生する。

2.

熱によって発生する安定ラジカルの官能基許容性^[用語6]が高いため、多くの分子構造は影響を受けないことから、種々の高分子に適用できる。

3.

安定ラジカルを介した動的共有結合の組み換え反応が非常に早く起こる。

4.

空気中で加熱するだけで反応を誘起でき、高価な触媒を必要としない。

以上のような特性を持つ動的共有結合ユニットであるBiTEMPS骨格を、異なる主鎖骨格を持つ架橋高分子中に組み込み、架橋高分子間における結合組み換え反応を引き起こすことで、無溶媒条件下で融合を達成した。図2に示すように、架橋高分子の粉末を均一に混合し、鋳型に入れて加熱すると、粒子界面が分子レベルで接着し混合一体化する。得られたフィルムは、可視光の波長レベルで均一化しており、透明性が大幅に向上することを明らかにした。一方、動的共有結合を導入しなかった架橋高分子では、このような透明化は全く観測されない。

研究の経緯

革新的な接着技術の登場が要望されている中で、これまで研究を進めてきた高分子の自己修復現象を「同一高分子材料間の接着」と捉えることで、「異種高分子材料間の接着」や「材料の再加工性の向上」にも適用できるのではないかとの着想を得て、研究が行われた。本研究は、革新的な接着技術を開発することで画期的なモビリティ製造イノベーションを目指す未来社会創造事業「界面マルチスケール4次元解析による革新的接着技術の構築」（研究開発代表者：田中敬二 九州大学教授）の一環として実施された。本研究開発課題では、科学的知見に基づいたモビリティ等のマルチマテリアル化や軽量化に資する次世代接着技術設計指針の構築及びその指針に基づく高機能な接着技術の創出に取組んでおり、大塚英幸教授らのグループはその中で自己修復性の分子骨格を利用した革新的接着技術の開発に取り組んでいる。

今後の展開

本研究で架橋高分子の自己修復技術を異なる架橋高分子の混合同一化に展開できることが実証された。今後は高分子新素材開発や異種材料の革新的接着技術の開発に本技術を導入し、実装環境へ適合するための改良等を継続することで社会実装に向けて研究を加速する。

今回の研究成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られた。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	Fusion of Different Cross-linked Polymers Based on Dynamic Disulfide Exchange
著者 :	Ayuko Tsuruoka, Akira Takahashi, Daisuke Aoki, Hideyuki Otsuka
DOI :	10.1002/anie.201913430

• プレスリリース 異なる架橋高分子材料を接着する新手法を開発 自己修復研究の技術を革新的接着に展開－
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若松教授のコメント

『小林秀雄 美しい花』について

• 蓮如賞｜一般財団法人 本願寺文化興隆財団
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• 「読むと書く」若松英輔公式ホームページ
• 若松英輔教授著『小林秀雄 美しい花』が第16回角川財団学芸賞を受賞｜東工大ニュース

要点

• 液体のりの主成分であるポリビニルアルコールを中性子捕捉療法用のホウ素化合物に加え、治療効果を大幅に向上。
• マウスの皮下腫瘍に対する治療効果はほぼ根治に近いレベルを実現。
• 臨床応用を目指し、ステラファーマ株式会社の協力を得て研究を推進。

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の野本貴大助教と西山伸宏教授（川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター主幹研究員兼任）の研究グループは、液体のりの主成分であるポリビニルアルコール^[用語1]を中性子捕捉療法用のホウ素化合物（ボロノフェニルアラニン＝BPA）^[用語2]に加えるだけで、その治療効果を大幅に向上できることを発見し、マウスの皮下腫瘍をほぼ消失させることに成功した。

BPAはがんに選択的に集積することができる優れたホウ素化合物であるが、がんに長期的に留まることができず、その滞留性を向上させることが強く望まれていた。野本助教と西山教授は、スライムの化学^[用語3]を利用してポリビニルアルコールにBPAを結合することにより、結合させた物質ががん細胞に選択的かつ積極的に取り込まれ、その滞留性を大きく向上できることを発見した。さらに、京都大学研究用原子炉にて、マウスの皮下腫瘍に対するその治療効果を検討した結果、ほぼ根治することを確認した。本研究成果は、従来の方法では治療困難ながんに対する革新的治療法として応用が期待される。

本研究成果は2020年1月22日（米国東部時間）に米国のオープンアクセスオンライン科学誌「Science Advances」に掲載された。また本研究の臨床応用を目指し、ステラファーマ株式会社^[用語4]の協力を得て研究を進める予定である。

背景

ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）^[用語5]は、ホウ素（¹⁰B）に対して熱中性子^[用語6]を照射することにより核反応を起こし、細胞傷害性の高いアルファ粒子^[用語7]とリチウム反跳核^[用語8]を発生させて、それによりがんを治療する方法である（図1）。従来の方法では治療することが困難な再発性のがん、多発性のがんに対しても有効であるため、第4のがん治療法と呼ばれる免疫療法に続く、第5のがん治療法として大きな期待を集めている。

BNCTではいかにホウ素をがんに選択的に集積させることができるかが重要である。現在、臨床で主に使用されているホウ素化合物はボロノフェニルアラニン（BPA）という物質である。BPAは、LAT1^[用語9]というがん細胞上に多く発現しているアミノ酸トランスポーターを介して細胞に取り込まれる性質があるため、選択的にがんに集積することができる化合物である。

現在、BPAの臨床試験はステラファーマ株式会社が行っており、臨床試験第II相において、再発頭頸部がんに対しBNCT施行90日後の奏効率71.4%という治療効果が得られている。このように使用されているBPAだが、がん細胞に選択的に集積することができるものの、長期的にはがん細胞に滞留することができないケースもあり、BPAのがんにおける滞留性を長期化できれば、BNCTの治療効果を更に向上できると考えられていた。

研究成果

BPAががん細胞に長期的に留まることができない原因の一つとして、LAT1の交換輸送メカニズムが関連していると考えられている。LAT1は細胞外のBPAを取り込む際に細胞内のアミノ酸を排出するが、細胞外のアミノ酸を取り込む際に細胞内のBPAを排出することもある。その結果、細胞外のBPA濃度が低下すると細胞内のBPAが流出してしまう現象が起きる（図2）。このような細胞外へのBPAの流出を抑えるために、東京工業大学の野本助教と西山教授の研究グループは、液体のりとホウ砂から作られるスライムと同様の化学反応を利用した方法を開発した。

液体のりの主成分であるポリビニルアルコール（PVA）は、生体適合性の高い材料として古くから研究されてきた物質であり、さまざまな医薬品の添加物としても使用されている。PVAは多くのジオール基^[用語10]を持っており、このジオール基はホウ酸やボロン酸と呼ばれる構造と水中でボロン酸エステル結合を形成することができる。野本助教と西山教授らはこの化学を利用してBPAをPVAに結合させたところ、PVAに結合したBPA（PVA-BPA）はLAT1介在型エンドサイトーシス^[用語11]という経路で細胞に取り込まれるようになり、従来のBPAが細胞質に蓄積するのに対し、PVA-BPAはエンドソーム・リソソーム^[用語12]に局在するようになった（図3(A)）。その結果、がん細胞に取り込まれるホウ素量が約3倍に向上し、細胞内で高いホウ素濃度を長期的に維持することが可能となった。

更に、マウスの皮下腫瘍モデルを用いて、がんへの集積性を評価したところ、従来のBPAと同等以上の集積性を示した（図3(B)）。従来のBPAは徐々に腫瘍内の集積量を低下させた一方で、PVA-BPAはその高いホウ素濃度を長期的に維持することができた。そして、熱中性子を照射すると、PVA-BPAは強力な抗腫瘍効果を示し、ほぼ根治に近い結果を得ることができた（図3(C)）。

今後の展開

BNCTの開発において、我が国は最先端の研究をリードしている状況である。このBNCTの最先端研究を支えてきたのは、我が国の学術界で唯一、BNCTに必要な中性子を産生することができる京都大学複合原子力科学研究所の研究炉（KUR）の役割が極めて大きい。今後もPVA-BPAの効果をより詳細に明らかにすべく、KURを中心にした基礎研究を推進する予定である。

一方、最近の臨床研究においては、BNCTの普及を目指した加速器型中性子線源が主流になっている。しかし、現状の加速器型中性子線源による熱中性子の産生量では、浅い部位のがんに適応が限定されると考えられている。治療の適応を深部まで拡げるためには、がん組織内のホウ素濃度を長期的に高く維持することが求められており、この点において本研究成果のPVA-BPAは大きく貢献できるものと期待される。

また、PVA-BPAはスライムを作るように、水中でPVAとBPAを混ぜるだけで簡単に合成することが可能である。製造が容易である上に治療効果も非常に優れていることから本研究成果は極めて実用性が高いと考えられる。今後、ステラファーマ株式会社の協力を得て更なる研究を行うことになり、安全性を精査しながら臨床応用への可能性を検討していく予定である。

追記（研究の経緯）

本研究成果は精力的に活動する多様な研究者が集まる東京工業大学という土壌があってこそ生まれたといえる。野本助教と西山教授は精密設計高分子を基盤にした薬物送達システムの開発に従事し、特に光などの物理エネルギーに応答して治療効果を出す化合物をがんに選択的に送達する技術の開発を継続的に行ってきた。

2013〜14年に野本助教と西山教授が着任した科学技術創成研究院 化学生命科学研究所（当時、資源化学研究所）には、中村浩之教授（2015〜19年、中性子捕捉療法学会会長）がおり、3人でBNCTに使用する薬物をがんに届ける方法について研究の議論を重ねてきた。その途中の2016年、大隅良典栄誉教授がノーベル生理学・医学賞を受賞し、主流となる研究を追いかけるのではなく、誰も注目しないような側面に焦点を当てて研究をすることが面白いということを学内の講演会で強調された。

大隅栄誉教授のこのメッセージに鼓舞され、野本助教と西山教授は薬物の代謝という今までに焦点が当てられなかった側面に着目し、今回のBPAのがん細胞における滞留性の向上についてアイディアを着想した。野本助教と当時、修士課程学生の井上透矢氏が中心になって実験を重ね、BNCTの評価に必要とされる研究手法については中村教授から助言を受けて進め、本研究成果につながった。

本研究のコンセプトはまさに教職員と学生が一丸になった“Team東工大”により創出されたものである。そして、我が国の学術界で唯一BNCTに必要な中性子を産生することができる京都大学複合原子力科学研究所と、最先端の分析機器を備える川崎市産業振興財団 ナノ医療イノベーションセンター（iCONM）の助力を得て、BNCTに有用な研究成果であることが明らかになった。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances
論文タイトル :	Poly（vinyl alcohol） Boosting Therapeutic Potential of p-Boronophenylalanine in Neutron Capture Therapy by Modulating Metabolism
著者 :	Takahiro Nomoto, Yukiya Inoue, Ying Yao, Minoru Suzuki, Kaito Kanamori, Hiroyasu Takemoto, Makoto Matsui, Keishiro Tomoda, Nobuhiro Nishiyama
DOI :	10.1126/sciadv.aaz1722

本研究は下記からの支援を受けて遂行された。

• 独立行政法人 日本学術振興会（JSPS）
  科学研究費助成事業（課題番号18K18383, 18H04163, 15H04635）
• 国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）
  センターオブイノベーション（COI）プログラム
• 国立研究開発法人 日本医療研究開発機構（AMED）
  橋渡し研究戦略的推進プログラム補助事業（拠点名：筑波大学、研究開発代表者: 東京工業大学 野本貴大）「シーズA17-89超低侵襲中性子捕捉療法を実現する代謝制御型ホウ素送達システム」
  革新的バイオ医薬品創出基盤技術開発事業（研究開発代表者: 東京工業大学 西山伸宏）「高分子ナノテクノロジーを基盤とした革新的核酸医薬シーズ送達システムの創出」
  次世代がん医療創生研究事業（研究開発代表者: 東京工業大学 西山伸宏）「DDS技術を基盤とした革新的がん治療法の開発」
• 筑波大学つくば臨床医学研究開発機構（T-CReDO）
• 文部科学省
  ダイナミック・アライアンス

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• ポリマー化技術により肝臓がん幹細胞の標的化を実現│東工大ニュース
• がんの悪性度を検知する「ナノマシン造影剤」を開発│東工大ニュース
• "切らない手術"を実現するナノマシンを開発―がんの日帰り治療の実現に向けて―│東工大ニュース
• がんへの光選択的遺伝子導入に成功 ―三層構造の高分子ミセル型ナノマシンで実現―│東工大ニュース
• 高分子デザインで、医療に革新をもたらすナノマシンを実現！ ― 西山伸宏｜研究ストーリー｜研究
• 東工大関係者6名が平成31年度科学技術分野の文部科学大臣表彰を受賞│東工大ニュース
• 西山研究室 ―研究室紹介 #50―｜生命理工学系 News
• 西山研究室
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• 研究者詳細情報（STAR Search） - 西山伸宏 Nobuhiro Nishiyama
• 化学生命科学研究所
• 生命理工学院 生命理工学系
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 京都大学複合原子力科学研究所
• 川崎市産業振興財団 ナノ医療イノベーションセンター
• ステラファーマ株式会社
• 国立研究開発法人 日本医療研究開発機構
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東京工業大学 工学院 電気電子系の千葉明教授が、国際的な学会IEEE（アイ・トリプル・イー、Institute of Electrical and Electronics Engineering）の2020年ニコラ・テスラ賞（IEEE Nikola Tesla Award）を受賞することが決まりました。千葉明教授の業績として「ベアリングレス・リラクタンスモータへの貢献」が認められ、2020年受賞者として選出されたものです。

IEEEは電気・電子・情報関連分野における最も権威がある世界最大（43万人）の技術系の学術団体です。IEEEでは、32の専門分野（Field）にわけ、各分野に1人、あるいは3人までのグループに毎年Field Award（フィールド・アワード）を授与しています。いずれもその分野の著名な人物の名前などが賞の名称についています。

ニコラ・テスラ（1856 - 1943）はエジソンの時代に、現在でも多数利用されている交流送電、誘導モータの発見・実用化などに多大な貢献を行った人物です。また、磁束密度の単位のTeslaはテスラ氏の名字が発祥です。そこで、IEEEは「電力の利用・発電に関して特筆すべき貢献を行った人」を受賞者に選んでいます。ニコラ・テスラ賞は1976年から44年間続き、毎年1人に与えられています。IEEEでも歴史がある賞です。

IEEEのField Awardは本学の電気・電子・情報分野では1986年に末松安晴栄誉教授・元学長、2003年に伊賀健一名誉教授・元学長、2008年に赤木泰文特任教授、2009年に深尾正名誉教授、2010年に古井貞熈名誉教授、2015年に岩井洋名誉教授らが受賞しています。50才台での受賞は末松元学長、赤木特任教授につづき3人目とみられます。また、著名な日本人では、1961年に江崎玲於奈氏、1998年には赤崎勇氏と中村修二氏などのノーベル賞受賞者もIEEE Field Awardを受賞しています。

千葉教授のコメント

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