北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

　環境・エネルギー領域の大平 圭介教授が提案した研究課題が、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「NEDO先導研究プログラム／新技術先導研究プログラム（エネルギー・環境新技術先導研究プログラム）」に採択されました。

　「NEDO先導研究プログラム／新技術先導研究プログラム」は、2030年頃以降の社会実装を見据えた革新的な技術・システムについて、原則、産学連携の体制で先導研究を実施し、革新性・独創性があり、将来的な波及効果が期待できる技術シーズの発掘及び国家プロジェクト化等への道筋をつけることを目標とします。

　 *詳しくは、NEDOホームページをご覧ください。

■研究課題名
　新概念結晶シリコン太陽電池モジュールの開発

■研究概要
　2050年のカーボンニュートラルに向けて、主力電源の一翼を担うことが期待される太陽光発電において、太陽電池モジュールの劣化抑止と長寿命化は、最重要課題の一つです。また、寿命を迎えた太陽電池モジュールの大量廃棄時代に備え、部材の分別廃棄やリサイクルを容易にすることも、喫緊の課題です。本研究では、結晶シリコン太陽電池モジュールの革新的な構造として、封止材を用いないモジュールの開発に取り組みます。封止材を無くすことで、紫外光照射による封止材の黄変、封止材からの酸発生による電極の腐食、封止材を介したナトリウム移動にともなう電圧誘起劣化などに起因する発電性能低下を根本的に解決できます。さらに、太陽電池セルが封止材で接着されていないため、故障したモジュールの修理・再利用が可能となるばかりでなく、廃棄時の分解・分別や、部材リサイクルも容易となります。本研究は、新潟大学、青山学院大学、岐阜大学と共同で実施します。

令和3年5月14日

　公益財団法人 旭硝子財団の研究助成「物理・情報分野　研究奨励」に応用物理学領域　麻生 浩平助教、「化学・生命分野　若手継続グラント」に環境・エネルギー領域　桶葭 興資准教授の研究課題が採択されました。

　旭硝子財団は、次世代社会の基盤を構築するような独創的な研究への助成事業を通じて、人類が真の豊かさを享受できる社会および文明の創造に寄与しています。
　「研究奨励」プログラムでは、若手研究者による基礎的･萌芽的な研究が支援されます。また、「若手継続グラント」プログラムでは、過去3年間に同財団の「研究奨励」プログラムを終了した若手研究者の中から意欲と提案力のある将来有望な研究者が選抜され、研究が支援されます。

*詳しくは、旭硝子財団ホームページをご覧ください。

「物理・情報分野　研究奨励」

【研究者名】応用物理学領域　麻生 浩平助教

■採択期間
　令和3年4月1日～令和5年3月31日
■研究課題
　固体内イオン伝導の解明に向けた電子顕微鏡とデータ科学による動的解析
■研究概要
　リチウムイオン電池では、充放電に伴って電池内部をリチウムイオンが移動していきます。しかし、イオンがどのように移動していくのかは未だによく分かっていません。そこで本研究では、ナノメートル程度の空間スケール、かつ従来よりも短い時間スケールでリチウムイオンのダイナミクスを可視化することを目指します。実験手法として、電池を動作させて電気特性を測定しながら電池の構造を観察する、オペランド電子顕微鏡法を用います。オペランド電子顕微鏡像は大量の画像からなる動画として得られるため、手動での解析は困難です。そこで、動画からイオンの移動に関わる情報のみを抽出するために、データ科学の手法を活用します。リチウムイオンは電池内部でどのように動いていくのかという問いに対して、これまでにない実験的な知見を与えられると期待しています。
■採択にあたって一言
　旭硝子財団、ならびに選考委員の皆様に心から感謝いたします。本研究を進めるにあたり数々のご協力を頂きました研究室の方々、ナノマテリアルテクノロジーセンターの皆様、および共同研究者の皆様方に感謝申し上げます。

「化学・生命分野　若手継続グラント」

【研究者名】環境・エネルギー領域　桶葭 興資准教授

■採択期間
　令和3年4月1日～令和6年3月31日
■研究課題名
　多糖の非平衡環境下における時空間マター
■研究概要
　ソフトマテリアルの散逸構造はシンプルな数式で表現されるが、過渡的現象の議論にとどまっており、材料化には困難を極めています。これに対し本研究では、多糖の非平衡環境下における界面現象を時空間的に解明します。これによって、生体組織の幾何学構造形成に倣ったマテリアルデザインが拓かれると同時に、高分子科学、コロイド科学、流体科学などを背景としたバイオミメティクス戦略の展開が期待できます。
■採択にあたって一言
　採択頂き大変嬉しく存じます。旭硝子財団、および本助成の選考委員会の皆様に深く感謝申し上げます。また共同研究者の皆様、および研究室の皆様に深く感謝申し上げます。科学と技術の発展に貢献できる様、誠心誠意励んで参ります。

令和3年5月14日

国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 独立行政法人 環境再生保全機構

消化酵素で分解するナイロンを開発
―プラスチック誤飲事故の軽減、海洋生態系維持へ―

ポイント

• 海洋プラスチックごみは誤飲するなど海洋生物への悪影響がある
• 従来の生分解性プラスチックは性能が低い問題がある
• 植物由来分子であるイタコン酸とアミノ酸からナイロンの開発に成功
• 従来ナイロンよりも高性能かつ人工胃液で分解・崩壊する性質を発見

＜開発の背景と経緯＞

　植物などの生体に含まれる分子を用いて得られるバイオマスプラスチックは材料中に二酸化炭素を固定することにより、二酸化炭素濃度を削減し、低炭素社会構築に有効であるとされています。その中でも生分解性を有するものは、昨今深刻化する海洋プラスチックごみ問題の解決の糸口を与えるものと注目されています。特に、鳥類やクジラ類などの死骸の胃の中を調査するとプラスチックごみが蓄積している場合があり、それが原因で死に至った可能性が指摘されています。つまり、プラスチックごみの誤飲による生態系への被害が問題視されています。生分解性プラスチックの中には海洋環境で分解するものがあり、中には消化酵素で分解するものも開発されているため本問題を解決するためのキー材料となると考えられています。しかし、生分解性プラスチックのほとんどは柔軟なポリエステルで耐熱性や力学強度の点で問題があります。このため用途は限られ、主に使い捨て分野で使用されているのが現状です。たとえばPHBHと呼ばれる脂肪族ポリエステルは代表的な海洋分解性プラスチックを与えますが、その主骨格は一般的な工業用プラスチックに用いられる高分子に比べて柔軟であり、そのガラス転移温度は０℃付近であり室温での使用のためには高結晶化が余儀なくされます。また力学強度も20-30MPa付近です。（参考：ポリエチレン、塩ビ、ポリプロピレンなどの汎用プラスチックは20-70 MPa程度）
　研究チームは、麹菌などが糖を変換して生産するイタコン酸を用いてバイオナイロンを開発することを目的として研究を進めていますが、アミノ酸であるロイシンなどを導入した新たなモノマーを合成し、一般的なナイロンの原料の一つであるヘキサメチレンジアミンなどを反応させることでバイオナイロンを合成する条件を見出しました（図１）。得られたバイオナイロンはガラス転移温度が100℃を超え、力学強度が85MPaを超える高性能ナイロンであることも確認されました（表１）。この高性能発現はナイロン中に硬い構造であるヘテロ環が含まれることに由来します。
　最後に、L-ロイシンから得られるナイロン樹脂を合成し、これが胃中の消化酵素であるペプシンの存在下で崩壊（図２）し分子量も低下することが見いだされました（図３）。今後、海洋ごみの中でも被害の多い釣り糸や漁網などへの応用を目指し、さらには自動車エンジン周りなどで使用されているナイロンを代替する物質として設計する予定です。将来的には海洋ごみ問題解決への道しるべを提供するだけでなく、大気中二酸化炭素削減などへの波及効果も考えられます。

＜代表的作成方法＞
　ロイシン由来のジカルボン酸1-（（S）-1-カルボキシ-3-メチルブチル）-5-オキソピロリジン-3-カルボン酸とヘキサメチレンジアミン（1.3g、10mol）をそれぞれアセトニトリルに溶解させた後に溶液を混合することでナイロン塩を析出させました（収率96％）。白色のナイロン塩を真空乾燥後170-180℃、50-60 rpmで激しく攪拌しバルクで重合しました。6時間後、粘性のあるポリマー溶融物が形成されました。これをDMFに溶解しアセトンに再沈殿することで精製を行いました。

＜今回の成果＞
　今回の成果は大きく分けて２つ示すことができます。
１）鏡像関係にあるアミノ酸を分子鎖で混合したナイロンを合成することで、結晶化度および熱的力学的物性が向上することを発見
　一般に再生可能な原料から得られる高分子は、熱的力学的性能が低く製造コストも高くなります。したがって、化石ベースのリソースと比較してパフォーマンスを向上させることができる合成アプローチを開発し、バイオベースのモノマーを利用することが重要です。ここでは、再生可能なイタコン酸とアミノ酸（D-またはL-ロイシン）から派生した新規な光学活性ジカルボン酸の生産に成功しました。まず、イタコン酸由来のイタコン酸ジメチルを出発物質として、剛直な不斉中心を持つ複素環式ジカルボン酸モノマーを高純度で得ました。これらのモノマーからアモルファスでありホモキラリティーを有するD-またはL-ロイシン由来のポリアミドを合成し、かつこれらをモノマー段階で混合したもの、オリゴマー段階で混合し追重合を行ったものを対象として研究を進めました（図１）。その結果、D-ロイシン由来のポリマー鎖とL-ロイシン由来のポリマー鎖との複合体は結晶化し、その結晶化度は36％に達しました。これは、キラル相互作用に由来するものと考えられます。得られた樹脂は、ガラス転移温度Tgが約117°C、溶融温度Tmが約213°Cであり、ポリアミド11などの従来のポリアミド（Tg約57°C）よりも高い値を示しました。さらに2.2〜3.8 GPaの高いヤング率および86〜108 MPaの高い力学強度を示しました（表１）。

２）バイオナイロン樹脂がペプシンの作用により崩壊し分解することを発見
　バイオナイロンの酵素分解を、哺乳類の胃の消化酵素であるペプシンを使用して調べました。少量（150 mg）のポリアミド樹脂（Mw; 24,300-26,400 g / mol）と1 wt％のペプシン（5 ml）をpH 4.0のバッファーに入れて分解試験を行いました（対照実験はペプシンなし）。サンプルをインキュベーター内で37°Cで6週間振とうした結果、時間の経過に伴い平均分子量が24,300〜26,400 g / molから14,600〜16,500 g / molに減少することがわかりました（図３）。ペプシンによるナイロンの分解中の視覚的変化も崩壊現象として確認されました（図２）。研究チームは以前に、イタコン酸由来ポリアミドのピロリドンの開環反応を報告しましたが、今回発見した酵素分解はピロリドンの開環を誘発したと考えられます。ここで発見したペプシン分解は、哺乳類が当該ナイロン系プラスチックを誤飲した場合でも、哺乳類の消化管の安全性を維持することにつながる可能性があります。

＜今後の展開＞
　本成果によりイタコン酸由来バイオナイロンの構造的な広がりが提案できました。今後、海洋ごみの中でも被害の多い釣り糸や漁網などへの応用を目指し、さらには自動車エンジン周りなどで使用されているナイロンを代替する物質として設計する予定です。将来的には海洋ごみ問題解決への道しるべを提供するだけでなく、大気中二酸化炭素削減などへの波及効果も考えられます。

＜参考図＞　　　　　　　　　　　図１　（A）イタコン酸とアミノ酸からなるジカルボン酸モノマーの合成

　　　　　　　　　　　　　　（B）（A）のジカルボン酸とヘキサメチレンジアミンからのバイオナイロンの重合反応式

表１　バイオナイロンの物性表

図２　バイオナイロンがペプシン存在下で崩壊していく様子

図３　ペプシンを作用させたD-ロイシン由来バイオナイロンのGPC

【論文情報】

令和3年5月10日

次世代燃料電池のアニオン交換薄膜において
水酸化物イオン伝導度の評価法を確立

ポイント

• 高分子薄膜状のアニオン交換膜の水酸化物イオン伝導度と含有水分子量の評価法を確立
• サンプルの合成から評価まで、空気中の二酸化炭素の影響を排除
• 0.05 S cm^-1の高い水酸化物イオン伝導性（Br^-型のアニオン交換薄膜の２倍以上）
• 次世代燃料電池の性能向上への貢献が期待

【研究背景と内容】

　資源の少ない日本が脱炭素化を進めながら持続的な発展をするためには、多様なエネルギー資源を確保することが喫緊の課題です。長尾准教授らは、これまで水素社会に貢献する燃料電池の性能向上に関する研究を推進してきました。
　長尾准教授らは、現在の燃料電池に利用されるプロトン交換膜に加え、次世代燃料電池で利用が検討されているアニオン交換膜における、水酸化物イオン伝導性の研究に取り組んでいます。この次世代燃料電池は、従来必要とされてきた白金などの貴金属触媒に依存せずに動作が可能であることから、世界的に研究報告例が増加しています。アニオン交換膜とは、陰イオンが膜の内部を移動可能な材料であり、特に水酸化物イオンが高速に移動する材料はこの燃料電池に欠かせません。水酸化物イオンが内部を移動するアニオン交換膜は、空気中の二酸化炭素と容易に反応する特徴があり、燃料電池の性能を低下させることが知られています。アニオン交換膜の水酸化物イオン伝導性を評価するためには、膜を水に浸漬することで空気中の二酸化炭素の影響を排除する必要がありました。しかし、実際の燃料電池では、アニオン交換膜は水に浸った状態で動作していないため、二酸化炭素の影響を排除した、より燃料電池の動作環境に近い加湿状態での評価法が求められてきました。

　アニオン交換膜のもう一つの重要な役割は、燃料電池の反応場である電極触媒界面に薄膜状で存在することにより、アニオン交換膜から電極触媒へ水酸化物イオンを高速に輸送することです。しかし、これまでは水酸化物イオン型のアニオン交換薄膜の水酸化物イオン伝導性と含有水分子量を評価する方法がありませんでした。今回、長尾准教授らは、モデル高分子として合成したアニオン交換膜を基板上に薄膜化し、薄膜の作成から各種物性評価の終了までの間、空気中の二酸化炭素の影響を受けない評価方法を確立し、世界で初めてアニオン交換薄膜における水酸化物イオン伝導性と含有水分子量を明らかにしました。

　研究成果として、水酸化物イオン型のアニオン交換薄膜(OH^-型、図１)は、0.05 S cm^-1と比較的高い水酸化物イオン伝導性を示すことや、臭化物イオン型のアニオン交換薄膜(Br^-型)と比較すると約２倍のイオン伝導度を有することがわかりました（図２）。さらに、厚膜状のアニオン交換膜と270nmの厚さの薄膜では、水酸化物イオン伝導度が同程度であることも明らかにしました。この結果はプロトン交換膜で知られている、厚さが薄くなるにつれてイオン伝導度が低下する傾向と異なる知見となりました。

図１　アニオン交換膜(Poly[9,9-bis(6'-(N,N,N-trimethylammonium)-‌hexyl)-9H-‌fluorene)-‌alt-‌(1,4-benzene)] (PFB⁺), X = OH and Br）

図2　アニオン交換薄膜におけるイオン伝導度の比較

【今後の展開】
　空気中の二酸化炭素の影響を受けない状態で、アニオン交換薄膜の水酸化物イオン伝導度と含有水分子量の相関に関する知見を得た例は世界初となります。これらの研究成果は、次世代燃料電池の反応場を設計する上で重要な知見となりえます。今後長尾准教授らは、確立した評価手法を利用して、分子構造の異なる複数のアニオン交換膜の評価を推進することで、得られた知見が普遍性を有するのかどうかを含め検討していく予定です。

【研究資金】
・日本学術振興会（JSPS）科研費 基盤研究（C）(JP18K05257)
・日本学術振興会（JSPS）科研費 基盤研究（B）(JP21H01997)
・日本学術振興会（JSPS）科研費 新学術領域研究「ハイドロジェノミクス」(JP21H00020）

【論文情報】

令和3年5月7日

国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 国立大学法人 金沢大学

世界初！ 個々の原子間の結合強度の測定に成功
―強くて伸びる白金原子の鎖状物質―　

ポイント

• 個々の原子の並びを見ながら、その結合強度を測る手法（顕微メカニクス計測法）の開発
• 白金原子が一列に並んだ鎖状物質を作製し、その結合強度を測定
• 結合強度が高く、よく伸びる白金原子の鎖状物質
• 原子スケールで制御された機能性物質探索への期待

　原子が鎖状に並んだ1次元物質の力学的性質は、同じ組成や構造を持つバルク物質と大きく異なることが理論計算によって予想されていた。しかし、1次元物質の性質はわずかな原子の変位にも敏感に変化するため測定例が少なく、解明が進んでいない。原子配列構造とその力学的性質の相関を明らかにできれば、1次元物質などの性質を決めるメカニズムの解明に繋がる。このメカニズムこそが、1次元物質を活用した新しい原理で動作する電子デバイスやセンサー開発の指針となる。

　最近、私たちは、原子配列を直接観察できる透過型電子顕微鏡（TEM）のホルダーに細長い水晶振動子を組み込んで、原子スケール物質の原子配列とその機械的強度の関係を明らかにする顕微メカニクス計測法を世界で初めて開発した（図1）。この手法では、水晶振動子の共振周波数が、物質との接触で相互作用を感じることによって変化することを利用する。共振周波数の変化量は物質の等価バネ定数に対応するので、その変化量を精密計測すればナノスケール/原子スケールの物質の力学特性を精緻に解析できる。水晶振動子の振動振幅は27 pm（水素原子半径の約半分）で、TEMによる原子像がぼやけることはない。この手法は、従来の手法（小さなSi製テコを利用してその変位から力を計測する手法、TEM-AFM法^[*1]）では困難だった結合強度の高精度測定を実現している。

　本研究では、このTEMホルダー内部で白金原子鎖を150個作製してその特性を詳細に調べ、白金原子鎖における原子結合強度が25 N/mであることを突きとめた。この値は、白金のバルク結晶の原子結合強度20 N/mよりも25％高い。また、原子間結合の長さ（0.25 nm）は最大0.06 nmも延びることが分かった。これは原子結合の最大弾性ひずみが24％になることを示しており、バルク結晶の値（5％以下）と比較して著しく高い（図２）。さらに、第一原理計算の結果を合わせて考察することで、このような特異な原子結合の性質は、白金原子鎖がエネルギー的に最安定な構造ではなく、形成に必要な張力が極小となる構造を取ることによって生まれることがわかった。

　本研究は、1次元物質がもつ特異な原子結合に関わる性質を明らかにし、理論計算と組み合わせることによって形成メカニズムを突きとめた点に大きな成果がある。今後ますます期待される原子スケールで制御された機能性物質の創製に指針を与える大きな成果である。

図１．個々の原子の並びを観察しながら、原子間の結合強度を計測する顕微メカニクス計測法。透過型電子顕微鏡（TEM）を用いてナノ物質の構造観察をしながら、長辺振動水晶振動子（LER）を用いて物質の結合強度を計測できる。この測定によって、赤矢印で示す部位の白金原子鎖の原子間結合強度が25 N/mであることがわかった。

図2. 左上は透過型電子顕微鏡（TEM）像、左下はそのシミュレーション像である。原子4個からなる原子鎖が得られている。その観察時に測定された電気伝導（コンダクタンス量子単位G₀でプロット）とばね定数の時間変化を、それぞれ右上と右下に示す。赤い矢印で示す領域は形成した原子鎖を破断することなく引っ張ることができた時間帯である。毎秒0.08 nmの速度で引っ張っており、白金原子鎖は破断なく約0.1 nm伸びた。

【論文情報】

【用語解説】
[*1] TEM-AFM法（透過型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡を組み合わせた測定法）
　従来の測定法の一つ。ナノ物質に接触したSiカンチレバーを引っ張ると、Siカンチレバーがたわむ（変位する）。このたわみ（変位）から、ナノ物質に負荷されている力を求める。一方、この負荷された力によって変形したナノ物質を透過型電子顕微鏡によって計測することで、このナノ物質の機械的強度を得る。ただし、10 nm以下のサイズをもつナノ物質は1Åしか変形しない（原子間距離は2-3Åである）。このような変形を高い精度で測定することは難しく、ナノ物質の強度測定にばらつきが出てしまうという課題があった。

令和3年4月30日

　環境・エネルギー領域の金子 達雄教授、高田 健司助教、並びに村田 英幸教授（応用物理学領域）、桶葭 興資准教授（環境・エネルギー領域）との共同研究に関する論文が米国化学会（ACS）刊行のACS Applied Materials & Interfaces誌（IF=8.758）の表紙（Supplementary cover）に採択されました。

■掲載誌
ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 13 (12), 14569-14576.
掲載日2021年3月31日

■著者
Kenji Takada, Katsuaki Yasaki, Sakshi Rawat, Kosuke Okeyoshi, Amit Kumar, Hideyuki Murata, Tatsuo Kaneko*

■論文タイトル
Photoexpansion of Biobased Polyesters: Mechanism Analysis by Time-Resolved Measurements of an Amorphous Polycinnamate Hard Film

■論文概要
　本研究では、光（紫外線）によって変形するポリ桂皮酸の変形メカニズムを解明しました。桂皮酸を含む高分子は、紫外線に対して構造中の二重結合がcis-trans異性化及び[2+2]環化付加することが知られています。しかしながら、この２種類の光反応性があるためにその変形メカニズムは解明されていませんでした。本研究では時間分解赤外分光法を行うことで変形の機序を解明し、ポリ桂皮酸が結合様式（分子の形）の違いによって収縮／膨張が起きていることを明らかにしました。

論文詳細：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c22922

令和3年4月20日

国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 国立大学法人東海国立大学機構　岐阜大学 国立大学法人 大阪大学

生体分子モーターで動く人工筋肉、光で自在に作製可能
― マイクロ・ソフトロボットの３Ｄプリントの実現に期待 ―

ポイント

• 光照射した場所に自在な形状に作製できる人工筋肉の開発に成功
• 遺伝子工学的に改変した生体分子モーターからなる光応答性の分子システムを開発
• ミリメートルスケールの微小機械の駆動を実証
• マイクロロボットやソフトロボットの３Ｄプリントの実現に期待

【研究背景と内容】

　生物のエンジン「筋肉」は、モータータンパク質^[*1]と呼ばれる生体分子モーターから構築されており、数百マイクロメートル（マイクロは100万分の1）から数十メートルまでスケーラビリティにとんだアクチュエータである。生物のエネルギー源（アデノシン三リン酸 (ATP)）を用いて高い効率で力学的仕事を行うという、従来のアクチュエータと比べ質的に異なる特性を持ち、これまでには無い産業分野での応用が期待されている。しかし、筋肉自体または筋肉細胞をアクチュエータとして利用する試みは基礎研究レベルでは報告されているが、筋肉細胞の安定性・保存性の問題やアクチュエータとして組み込む技術が未発達のため、実用化には至っていない。また、筋肉組織の構成分子はほぼ同定されているが、それら構成分子から筋肉を再構築する技術は知られていなかった。

　本研究では、生体内の収縮性ファイバーの形成過程に着想を得て、人工筋肉を自在に形成させる分子システムを開発した。モータータンパク質の一種であるキネシンを遺伝子工学的に改変し、フィラメント状にすることにより、レールタンパク質である微小管^[*2]と混ぜるだけで、モータータンパク質の動的な機能により自己組織的に人工筋肉を形成させることができた。さらに、光照射によりモーター分子のフィラメント化を開始させ、照射した部位のみに人工筋肉を形成させることを可能とした（図１）。この人工筋肉を大きさ数ミリメートルの機械構造内に形成させることにより微小機械を駆動させることに成功した（図２）。

　筋肉のような柔軟で低エネルギー・低環境負荷なアクチュエータの産業応用は期待されているが、上述のように実用化には至っていない。本研究では、生体の運動素子であるモータータンパク質分子を数ミリメートル以上の組織に構築することにより、生物の筋肉に似た機能・性質を持つ人工筋肉の製造を可能とした。特に光照射により人工筋肉の形成を開始可能なことから、たとえば光造形型の３Ｄプリンタに組み込めば人工筋肉の光造形などが可能になることが将来期待でき、生体材料で駆動するマイクロロボットやソフトロボットの３Ｄプリント技術の基盤技術となる可能性が高い。

【今後の展開】

　本研究で開発された人工筋肉は、現時点では形成・収縮が同時に起こり、かつ収縮は一回のみで用途も限定される。今後、制御用の分子システムを開発することにより、可逆または振動可能な人工筋肉を開発しマイクロロボットやソフトロボットへの実装を目指す。

図１．光照射による人工筋肉形成のコンセプト図
　モータータンパク質の一種キネシンを遺伝子工学的に改変し、光照射によりキネシンがフィラメント状になるように設計（K456m13とCaMLMM）。キネシンフィラメントは自身の運動能により微小管を引っ張り、自己組織的に筋肉に似た収縮性の繊維を形成する。

図2. 人工筋肉の応用例
　大きさ数ミリメートルのシリコンゴム製の微小構造の周囲に、光照射により人工筋肉を形成させ、その構造を駆動させた。右上）マイクログリッパ：光照射後に人工筋肉（オレンジ色）が形成し、20秒後にグリッパが閉じる。右下）昆虫型デバイス：人工筋肉により左右に動く。左上）ロボットアーム型デバイス。左中）微小歯車の組み立て。左下）細胞サイズの微小ビーズの集積。

【研究資金】

　・新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「次世代人工知能・ロボット中核技術開発」（JPNP15009）
　・日本学術振興会（JSPS）科研費 新学術領域研究「分子ロボティクス」(JP24104004）
　・日本学術振興会（JSPS）科研費 基盤研究（B）(JP18H01407)

【論文情報】

【用語解説】
[*1] モータータンパク質（motor protein）
　生体の動きに関与するタンパク質の総称。大きさ数ナノメートル〜数十ナノメートルの分子で、代表的なものとして筋収縮に働くミオシン、細胞内の物質輸送に働くキネシン、鞭毛運動等に働くダイニンなどが挙げられる。これらは繊維状のタンパク質であるアクチンまたは微小管の上を生体のエネルギーであるATP(アデノシン三リン酸)の加水分解エネルギーを利用して一方向に動く。

[*2] 微小管（microtubule）
　細胞骨格を構成する繊維状タンパク質のひとつ。大きさ数ナノメートルのチューブリンが筒状に重合することにより直径25ナノメートルの管状の繊維を形成する。キネシンやダイニンなどモータータンパク質が動くレールとして働く。

令和3年4月20日

　知能ロボティクス領域のホ アン ヴァン准教授が提案した研究課題が、科学技術振興機構（JST）の「研究成果展開事業研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）トライアウトタイプ：with/postコロナにおける社会変革への寄与が期待される研究開発課題への支援」に採択されました。

　「A-STEPトライアウト」は、大学等の研究成果に基づいた技術の実現可能性を検証する公募型の研究開発費支援制度（研究費支援）と、マッチングプランナーによる産と学のマッチングや事業化に向けての研究開発活動の支援（人的支援）により、本格的な産学共同研究開発への移行へつなぐプログラムです。

　今回採択された「トライアウトタイプ：with/postコロナにおける社会変革への寄与が期待される研究開発課題への支援」は、「with/postコロナ社会の変革」や「社会のレジリエンス向上」を含めた社会課題の解決に資する、大学等の研究成果に基づいた、開発ニーズを持つ企業などが着目する技術の実現可能性を検証するための試験研究を、令和３年度公募を前倒しする形で、A-STEPトライアウトの形式を利用し、「トライアウトタイプ」として実施し、民間企業の投資意欲を刺激するとともに、with/postコロナ社会に資する新規性と経済的なインパクトを有する研究開発成果の社会的実装を加速することを目指します。

*詳しくは、JSTホームページをご覧ください。

【研究者名】知能ロボティクス領域　ホ アン ヴァン 准教授

■研究課題名
　人手に代わり食品を取扱い可能なユニバーサルロボットハンドの開発

■研究概要 　
　本研究は、様々な食品を、１つのロボットハンドで取り扱うことが可能となることで、設置やメンテナンスのコストを削減し、またロボットの稼働率を高めることを目指しています。そのため、柔らかい指先を模した機構や触覚センシングなどの独自技術を統合し、把持力を発揮する剛性と、壊れやすい食品を傷つけないソフトな接触を両立するロボットハンドを実現します。

令和3年4月13日

先端科学技術研究科の桶葭准教授が文部科学大臣表彰 若手科学者賞受賞

　北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）先端科学技術研究科 環境・エネルギー領域の桶葭 興資（おけよし　こうすけ）准教授が、令和３年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞を受賞することが決定し、文部科学省から4月6日に発表されました。

　＊文部科学省の発表はこちら

　文部科学大臣表彰とは、科学技術に関する研究開発、理解増進等において顕著な成果を収めた者について、その功績を讃え贈られるものです。
　今回の受賞は、桶葭准教授の下記の業績が評価されたことによります。

若手科学者賞
■受賞者　先端科学技術研究科　准教授　桶葭 興資

■業績名 「水と共生する生体模倣高分子材料に関する研究」

【主要論文】
・「Polymeric design for electron transfer in photoinduced hydrogen generation through coil-globule transition.」Angewandte Chemie International Edition 58, 7304 (2019).
・「Emergence of polysaccharide membrane walls through macro-space partitioning via interfacial instability.」Scientific Reports 7, 5615 (2017).

令和3年4月6日

　応用物理学領域の麻生 浩平助教が公益財団法人 中部電気利用基礎研究振興財団の研究助成に採択されました。

　中部電気利用基礎研究振興財団は電気の利用及びこれに関連する基礎的な技術に関する試験研究等に対する助成を行うことにより、電気の効果的な利用の拡大を図り、我が国経済の健全な発展と国民生活の向上に寄与することを目的としています。

■採択期間
　令和3年4月1日～令和5年3月31日

■研究課題
　リチウムイオン電池の充放電にともなうイオン伝導過程の電子顕微鏡解析

■研究概要
　リチウムイオン電池は、充放電に伴って電池内部でリチウムイオンが移動していきます。しかし、物質中でイオンがどのように移動していくのかは未だによく分かっていません。そこで本研究では、ナノメートル程度の空間スケール、かつ従来よりも短い時間スケールでリチウムイオンのダイナミクスを可視化することを目指します。開発した手法を用いて、リチウムイオンの移動の仕方と、原子の並びの乱れといった結晶状態との関係解明に挑戦します。リチウムイオン電池にはどのような結晶状態が適しているのか、これまでにない実験的な知見を与えられると期待しています。

■採択にあたって一言
　中部電気利用基礎研究振興財団および選考委員の皆様に心から感謝いたします。本研究を進めるにあたり数々のご協力を頂きました研究室の方々、ナノマテリアルテクノロジーセンターの皆様、および共同研究者の皆様方に感謝申し上げます。

令和3年3月26日

国立大学法人筑波大学 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 国立研究開発法人科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ダイヤモンドを用いた広帯域波長変換に成功
～新しい量子センシング技術の糸口に～

【研究代表者】

筑波大学 数理物質系
　長谷 宗明教授
北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 応用物理学領域
　安 東秀准教授

【研究の背景】

　天然のダイヤモンド単結晶は、地球のマントルにおいて超高温かつ超高圧下で生成されます。高純度のダイヤモンド単結晶は希少で高価なため、産業応用は限られていました。しかし、20世紀中頃から、不純物濃度が極めて低い高純度ダイヤモンド単結晶が人工的に安価に作製できるようになり、エレクトロニクスや光学分野で応用されるようになりました。
　高純度ダイヤモンド単結晶は結晶学的に対称性が高く、空間反転対称性を持つ（対称点を中心に結晶を反転させると結晶構造が重なる）ため、非線形光学の観点では2次の非線形感受率^注1）がゼロとなり、2次の非線形光学効果が発現しません。そのため、光学分野でのダイヤモンドの研究開発は、光カー効果^注2）や2光子吸収^注3）など、もっぱら3次の非線形光学効果を基に光共振器や光導波路に関する研究が行われてきました。応用上でも重要である2次の非線形光学効果の研究はほとんど行われて来なかったのです。しかし、最近の研究で、高純度ダイヤモンド単結晶に窒素−空孔（Nitrogen-Vacancy: NV）センター^注4）と呼ばれる格子欠陥を導入することにより、欠陥準位を介したマイクロ波による発光制御が可能になり、この原理を用いた量子センシング^注5）の研究が活発になっています。
　今回、本研究チームは、高純度ダイヤモンド単結晶の表面近傍にNVセンターを導入してダイヤモンド単結晶の対称性を操作し、第二高調波^注6）および第三高調波の発生について研究しました。

【研究内容と成果】

　本研究チームは、フェムト秒（1000兆分の1秒）の時間だけ赤外域の波長で瞬く超短パルスレーザー^注7）を、NVセンターを導入した高純度ダイヤモンド単結晶に照射し、表面近傍から発生した第三高調波に加えて、第二高調波を世界で初めて観察することに成功しました。
　具体的には、波長1350nmの赤外パルスレーザー光を励起光として照射すると、第二高調波が1／2波長の約675nmに、また第三高調波が1／3波長の約450nmに発生することが明らかになりました（参考図1）。この時、レーザーを照射されたダイヤモンド単結晶は紫色（赤色と青色の混成色）に発光していることが分かります（参考図1挿入写真）。
　従来のダイヤモンド中NVセンターの研究では、連続発振グリーンレーザー（波長532nm）を照射した際に、NVセンターの欠陥準位を介した発光が、約660nmを中心とした波長領域に現れることが分かっています。このような既知の発光である可能性を取り除き、今回観測された約675nmの発光が第二高調波発生であることを確かめるため、励起レーザーの波長を掃引して波長変換特性を調べました。その結果、励起レーザーの波長の変化に応じて、第二高調波だけでなく第三高調波の発光波長が逐次変化することが確かめられました（参考図2）。これにより、今回観測された発光は、常に660nmを中心とした波長領域に観測される従来の欠陥準位を介した発光ではなく、欠陥により結晶の対称性が崩れることによる2次の非線形光学効果、すなわち第二高調波発生であることが明らかになりました。さらに、その変換効率は短波長ほど大きくなり、最高で5x10^-5に達することが分かりました。今回、第二高調波がダイヤモンドの表面近傍約35nmの非常に薄い領域から発生していることを鑑みても、極めて高い変換効率であることが分かります。
　また、励起レーザーの偏光角を回転させることで、第二高調波と第三高調波の発光強度の変化を調べたところ、それらの偏光角依存性はNVセンターを導入する前の高純度ダイヤモンドのパターンとは明らかに異なることが分かりました（参考図3）。特に、NVセンターを導入したダイヤモンドでは、第二高調波と第三高調波のパターンが若干の回転を除けば非常に似ていることが分かり（参考図3bとc）、これらのことから、第三高調波は第二高調波が駆動力になっていることも示唆されました。

【今後の展開】

　本研究チームは、2次の非線形光学効果である第二高調波発生や電気−光学効果を用いた量子センシング技術を深化させ、最終的にダイヤモンドを用いたナノメートルかつ超高速時間領域（時空間極限領域）での量子センシングの研究を進めています。今後は、フェムト秒パルスレーザー技術が持つ高い時間分解能と、走査型プローブ顕微鏡^注8）が持つ高い空間分解能とを組み合わせ、ダイヤモンドのNVセンターから引き出した2次の非線形光学効果が、電場や温度のセンシングに応用できることを示していきます。さらに、今回の成果は、ダイヤモンドNVセンターにより、2次の非線形光学効果のみならず、4次、6次以上の高次の非線形光学効果の開発に貢献することが期待されます。

【参考図】

図1．本研究に用いた実験手法と結果
　NVセンターを導入したダイヤモンドに波長1350nmの励起光を照射し、その発光スペクトルを分光器で測定すると、波長約675nmに第二高調波(SHG)が、また約450nmに第三高調波(THG)が発生することが分かった。これは、エネルギーω（波長にすると1350nm）の2光子からエネルギー2ω（波長にすると675nm）の第二高調波がNVセンターによる結晶の対称性の崩れから発生していることに相当する(挿入図)。

図2．変換効率の発光波長依存性
　第二高調波(SHG)と第三高調波(THG)の変換効率を励起レーザーの波長を変化させて記録した。

図3．発光強度の励起光偏光角依存性とエネルギーダイヤグラム
　高純度ダイヤモンド（Pure diamond）(a)およびNVセンターを導入したダイヤモンド（NV diamond）において、第二高調波(SHG) (b)と第三高調波(THG) (c)の発光強度の励起光偏光角依存性をプロットしたもの。(d) 第二高調波発生から第三高調波発生へ向かうエネルギーダイヤグラムを示す。

【用語解説】
注1） 非線形感受率
　物質の光への応答は、パルスレーザー光のように光電場振幅が大きくなると振幅に比例せず、非線形な非線形光学効果となる。非線形感受率は非線形光学効果の大きさを特徴づける光学定数である。
注2） 光カー効果
　媒質中に光が入射した際に、媒質の屈折率が光強度に比例して変化する現象で、1875年にJohn Kerrによって発見された3次の非線形光学効果（電場振幅の三乗に比例する効果）の一種である。
注3） ２光子吸収
　二つの光子が同時に媒質に吸収される現象で、3次の非線形光学効果の一種である。
注4） 窒素−空孔（NV）センター
　ダイヤモンドは炭素原子から構成される結晶だが、結晶中に不純物として窒素（Nitrogen）が存在すると、すぐ隣に炭素原子の抜け穴（空孔：Vacancy)ができることがある。この窒素と空孔が対になった「NV（Nitrogen-Vacancy）センター」は、ダイヤモンドの着色にも寄与する色中心と呼ばれる格子欠陥となる。NVセンターには、周辺環境の温度や磁場の変化を極めて敏感に検知して量子状態が変わる特性があり、この特性をセンサー機能として利用することができる。このため、NVセンターを持つダイヤモンドは「量子センサー」と呼ばれ、次世代の超高感度センサーとして注目されている。
注5） 量子センシング
　量子化した準位や量子もつれなどの量子効果を利用して、磁場、電場、温度などの物理量を超高感度で計測する手法のこと。
注6） 第二高調波
　二つの同じ周波数（波長）を持つ光子が非線形光学結晶に入射すると、入射した光子の2倍の周波数（半分の波長）の光を発生する現象のこと。2次の非線形光学効果（電場振幅の二乗に比例する効果）の一種である。
注7） 超短パルスレーザー
　パルスレーザーの中でも特にパルス幅（時間幅）がフェムト秒以下の極めて短いレーザーのこと。光電場の振幅が極めて大きいため、2次や3次の非線形光学効果を引き起こすことができる。
注8） 走査型プローブ顕微鏡
　小さいプローブ（探針）を試料表面に近接させ、探針を表面に沿って動かす（走査する）ことで、試料の原子レベルの表面構造のみならず、温度や磁性などの物理量も画像化できる顕微鏡である。

【研究資金】

　本研究は、国立研究開発法人 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CREST「ダイヤモンドを用いた時空間極限量子センシング」（研究代表者：長谷 宗明）による支援を受けて実施されました。

【掲載論文】

令和3年3月18日

　物質化学領域の松村 和明教授、ラジャン ロビン助教らの論文が英国王立化学会（RSC)刊行のMaterials Advances誌の表紙(Back cover)に採択されました。
　本研究は科研費および科学技術振興機構（JST）「研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）」の支援により行われました。

■掲載誌
Materials Advances, 2021, 2, 1139-1176 　掲載日2021年1月15日

■著者
Robin Rajan*, Sana Ahmed, Neha Sharma, Nishant Kumar, Alisha Debas, and Kazuaki Matsumura*

■論文タイトル
Review of the current state of protein aggregation inhibition from a materials chemistry perspective:special focus on polymeric materials

■論文概要
　タンパク質の凝集抑制効果を持つ物質について、特に高分子化合物を中心にその合成方法や機能、応用などをまとめた総説論文です。神経変性疾患の治療や予防、バイオ医薬品の生産プロセスの効率化などに期待出来る最新の研究成果をまとめています。

表紙詳細：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ma/d1ma90025k#!divAbstract
論文詳細：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ma/d0ma00760a#!divAbstract

令和3年3月3日

　2月12日（金）、能美市立宮竹小学校の3年生15名が附属図書館の見学やJAISTギャラリーでのパズル体験を行いました。本棚に並ぶ多くの図書、貴重図書室の『解体新書』（杉田玄白著）や『アトランティコ手稿』（レオナルド・ダ・ヴィンチ著）を目にし、本学職員の解説に熱心に聞き入っていました。また、実際に触って解いて遊ぶことができるパズルの数々に興味津々な様子で、一生懸命にパズルを解いていました。
　また、2月24日（水）に同校の4年生23名が理科特別授業を受けました。
　特別授業では、ナノマテリアルテクノロジーセンターの赤堀准教授（応用物理学領域）及び木村技術専門職員が講師となり、十分な新型コロナウイルス感染症対策を行った上で、液体窒素を用いた様々な科学実験を行いました。
　液体窒素によって、花やスーパーボール、乾電池などの身近な物が化学反応を起こす光景に、子供たちは目を輝かせて見入っていました。
　今回の企画は、科学技術の世界に触れることのできるまたとない機会となりました。

３年生が貴重図書室を見学（附属図書館）

液体窒素を用いた科学実験を行う４年生

令和3年3月1日

リチウムイオン２次電池の長期的耐久性の課題解決に資する
超高耐久性バインダーを開発

ポイント

• リチウムイオン２次電池の長期的耐久性の課題の解決に資する超高耐久性負極バインダーの開発に成功した。
• 1700回の充放電サイクルを経ても95%の容量維持率を示した。
• 本バインダー材料を用いた系ではPVDF系で顕著であった電解液の電気分解が抑制された。
• 充放電サイクル後に、本バインダー材料を用いた電池系ではPVDF系と比較して大幅に低い（45%減少）内部抵抗が観測された。
• 各種電気化学測定により、負極内部のリチウムイオンの拡散性に優れていることが分かった。本バインダー系ではイオンの拡散係数がPVDF系を15%上回った。
• ヤング率、引張強度のいずれにおいても本バインダーはPVDFと比較して大幅に優れた力学的強靭さを示した。
• 電極―電解質界面抵抗を低減できる高耐久性バインダーとして、リチウムイオン２次電池のみならず広範な蓄電デバイスへの応用が期待される。

　本成果は「ACS Applied Energy Materials」(米国化学会)オンライン版に2月17日に掲載された。

【今後の展開】

　セル構成や充放電条件を最適化し、最も優れた特性を有する蓄電デバイスの創出に結びつける。
　更に異なる材料組成から成る高容量負極材料への適用を進めつつある。
　電極―電解質界面抵抗を大幅に低減できる機能性高分子バインダーとして、リチウムイオン２次電池のみならず広範な蓄電デバイスへの応用が見込まれる。

【用語解説】
^*1 リチウムイオン２次電池：
電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う２次電池。従来型のニッケル水素型２次電池と比較して高電圧、高密度であり、各種ポータブルデバイスや環境対応自動車に適用されている。
^*2 LUMO：
電子が占有していない分子軌道の中でエネルギー準位が最も低い軌道を最低空軌道(LUMO; Lowest Unoccupied Molecular Orbital)と呼ぶ。
^*3 HOMO：
電子が占有している分子軌道の中でエネルギー準位が最も高い軌道を最高被占軌道(HOMO; Highest Occupied Molecular Orbital)と呼ぶ。
^*4 サイクリックボルタンメトリー（サイクリックボルタモグラム）：
電極電位を直線的に掃引し、系内における酸化・還元による応答電流を測定する手法である。電気化学分野における汎用的な測定手法である。また、測定により得られるプロファイルをサイクリックボルタモグラムと呼ぶ。
^*5 電極―電解質界面抵抗：
エネルギーデバイスにおいては一般的に個々の電極の特性や個々の電解質の特性に加えて電極―電解質界面の電荷移動抵抗がデバイスのパフォーマンスにとって重要である。交流インピーダンス測定を行うことによって個々の材料自身の特性、電極―電解質界面の特性等を分離した成分としてそれぞれ観測し、解析することが可能である。

令和3年3月1日

がん光細菌療法の新生

ポイント

• 高い腫瘍標的能を有し、近赤外光によって様々な機能を発現する光合成細菌の発見
• 当該細菌を活用したがん診断・治療技術の創出

図1. がん光細菌療法の概念。NIR: 近赤外、FL: 蛍光、ROS: 活性酸素種、PA: 光音響。

【論文情報】

【関連研究情報】

北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）、先端科学技術研究科物質化学領域の都研究室では、近赤外レーザー光により容易に発熱するナノ材料の特性（光発熱特性）に注目し、これまでに、"三種の神器"を備えた多機能性グラフェン（2020年4月23日 JAISTからプレス発表）、ナノテクノロジーと遺伝子工学のマリアージュ（2020年8月17日 JAISTからプレス発表）などの光がん療法を開発している。

【用語解説】

*1　近赤外レーザー光
レーザーとは、光を増幅して放射するレーザー装置、またはその光のことである。レーザー光は指向性や収束性に優れており、発生する光の波長を一定に保つことができる。とくに700～1100 nmの近赤外領域の波長の光は生体透過性が高いことが知られている。
*2　紅色光合成細菌
近赤外光を利用して光合成を行う細菌。水の分解による酸素発生は行わない。

令和3年2月16日

北陸先端科学技術大学院大学 理化学研究所

高分子化合物による細胞の凍結保護効果の機序を解明
－再生組織などの長期保存技術の開発に貢献－

ポイント

• 高分子化合物による細胞の凍結保護効果の機序の一端を解明。
• 細胞凍結保護効果を説明するため初めて固体NMRの手法を応用し、細胞の脱水制御に伴う細胞内氷晶抑制効果を説明した。
• この手法を利用することで、新しい効果的な凍結保護物質の分子設計が可能となり、再生医療分野などへの応用が期待できる。

【研究の背景】

　医学生物学研究に必要な細胞は、細胞バンクなどから凍結状態で入手できる。細胞の凍結保存技術自体は1950年代に確立されており、おもにジメチルスルホキシド(DMSO)[＊注1]が保護物質として細胞懸濁液に添加され、液体窒素温度にて凍結保存されている。一般的な樹立細胞などは既存の保存技術で問題なく保存可能な細胞が多いが、受精卵などの生殖細胞、ES細胞やiPS細胞[＊注2]などの特殊な幹細胞などの中には凍結保存が困難なものが多く、効率的な保存技術の開発が望まれている。また、汎用保護剤であるDMSOは毒性があり、分化[＊注3]への影響もあることから再生医療分野では代替の物質の開発が望まれているが、この半世紀ほどは新しい凍結保護物質の報告はほとんど見られなかった。高分子系の保護物質は細胞膜を容易には透過しないため、細胞への毒性や分化への影響を低くすることが可能である一方、細胞外から凍結保護を行うということから開発は困難とされてきた。2009年に松村らが両性電解質高分子[＊注4]による凍結保護作用を発表し[1]、その後、多くの細胞種で凍結保護効果が確認されてきた。また、急速に凍結することで細胞内外の水の結晶化を抑制するガラス化保存技術[＊注5]にも両性電解質高分子が利用され、受精卵や胚[2]や軟骨細胞シート[3]、スフェロイド[＊注6] [4]などの保存に成功した。また、高分子化合物による凍結保護物質の報告は世界中で近年になって非常に多く行われており、多くの分野での応用が期待されている。しかしながら、その具体的なメカニズムはわかっていない。

【研究成果と手法】

　これまでDMSOなどの低分子による細胞膜透過性の凍結保護物質については、細胞内の水の結晶化を抑制することが主な機序として報告されてきている。しかし、高分子凍結保護剤の細胞外からの保護作用の機序は詳細にはわかっておらず、最近の論文では細胞外の氷の結晶（氷晶）の成長抑制作用と説明されている。確かに氷晶は物理的に細胞を破壊するため、その抑制が重要であることは間違いがないが、一方で、細胞内に大きな氷晶が形成されることは、細胞内小器官の破壊を伴う致命的なダメージを与えるとされているため、細胞内氷晶の形成が抑制されていることが考えられる。細胞内氷晶の形成については、一般的には顕微鏡などで観察されるが、凍結時の細胞内の現象を正確に捉えることが難しいため、はっきりしたことは分からない状況であった。
　研究グループらは、両性電解質高分子溶液の凍結保護の分子メカニズムを調べるため、固体NMR[＊注7]の手法を初めて応用し、凍結保護という複雑かつ多面的な現象の特徴を塩や水、高分子の運動と状態からの視点で解き明かすことに成功した。
　両性電解質高分子であるカルボキシル基導入ポリリジン(PLL-(0.65)　(図1))溶液、比較対象として、凍結保護効果の高いDMSO溶液、凍結保護効果のあまり見られないアルブミン（BSA）溶液、ポリエチレングリコール(PEG)溶液、保護効果のない生理的食塩水について、0℃から-41℃までの水分子および塩（イオン）の運動性を固体NMR測定により評価した。その結果、低温時の水の運動性がPLL-(0.65)溶液において他の溶液に比べ顕著に抑制され粘性が上昇することがわかった(図2)。凍結条件下では、この粘性の高いポリマー溶液が細胞の周辺を取り囲むことにより、細胞内への氷晶の侵入による細胞内氷晶形成を抑制していることが示唆される。また、PLL-(0.65)溶液中では高分子鎖にNaイオンがトラップされ、低温域でのNaイオンの運動性が低下していることも確認された(図3)。これにより、浸透圧に寄与するNaイオンの濃度がPLL(0.65)溶液において低下し、急激な脱水を抑制し、温和な条件でかつ十分に細胞内を脱水できる最適条件を達成していることが細胞内氷晶の形成の抑制を示唆する結果となった。これらの機序を図4に模式図として表す。低温時に高分子が塩や水を包含した会合体を形成し、それらの運動性が低下することで温和な条件でかつ十分に脱水が起こると共に、細胞外溶液の粘性の上昇に伴う細胞外氷晶の成長も抑えられ、結果的に細胞内氷晶の形成が抑制されることが細胞の凍結保護を可能としていることが考えられる。この機序は細胞内に浸透する既存の凍結保護剤と異なることから、新たな機序に基づく凍結保護剤の開発につながる研究成果である。

【今後の展開】

　固体NMR測定により高分子や塩、水の分子運動の観点から細胞凍結保護高分子の新規機序について考察することが可能となった。この手法により効果の高い凍結保護剤の設計指針が得られることが期待される。また、細胞だけでなく、再生組織などの2次元3次元の生体組織などの効率的な保存法、保存剤の開発に役立つことが期待できる。

図1　本研究で使用した両性電解質高分子であるカルボキシル化ポリリジンの構造。PLL-(0.65)は、コハク酸付加部位(m)が65%であるものを示す。

図2　1H NMRの水のピーク幅の温度依存性。PLL-(0.65)に顕著な広幅化が見られ、低温での粘性の急上昇が確認された。

図3　a) 23Na NMRのピーク面積から、各溶液中の凍結下、氷と共存する溶液状態にあるNaイオンの量を評価した。凍結下のPLL-(0.65)溶液において、溶液として振舞うNaイオンの量が低下した。b)Naイオン量から系中のNaCl濃度を計算した結果。PLL-(0.65)溶液中のNaCl濃度は温度低下と共に速やかに上昇し、低温下で緩やかに下降する。これは速やかかつ適度な細胞の脱水による細胞内氷晶形成の抑制を示唆している。

図4　PLL-(0.65)溶液による細胞の凍結保護効果の模式図。低温凍結下、1) 高分子が高い粘性を持つ会合体（マトリックス）を形成することで、細胞外からの氷核の流入を阻止し、2) 塩や水をマトリクス内にトラップすることにより、凍結後の脱水を温和な条件で制御するという2つの効果で細胞内の氷晶形成を抑制している。また、マトリックス形成による粘度上昇は、氷晶が細胞膜を刺激する事による細胞内氷晶形成も抑制していることが示唆された。

【参考文献】

[1] Matsumura K, Hyon SH, Polyampholytes as low toxic efficient cryoprotective agents with antifreeze protein properties. Biomaterials 30, 4842-4849 (2009)
[2] Kawasaki Y, Kohaya N, Shibao Y, Suyama A, Kageyama A, Fujiwara K, Kamoshita M, Matsumura K, Hyon S-H, Ito J, Kashiwazaki N. Carboxylated ε-poly-L-lysine, a cryoprotective agent, is an effective partner of ethylene glycol for the vitrification of embryos at various preimplantation stages. Cryobiology, 97, 245-249 (2020)
[3] Hayashi A, Maehara M, Uchikura A, Matsunari H, MatsumuraK, Hyon SH, Sato M, Nagashima H. Development of an efficient vitrification method for chondrocyte sheets for clinical application. Regenerative Therapy, 14, 215-221 (2020)
[4] Matsumura K, Hatakeyama S, Naka T, Ueda H, Rajan R, Tanaka D, Hyon SH. Molecular design of polyampholytes for vitrification-induced preservation of three-dimensional cell constructs without using liquid nitrogen. Biomacromolecules, 21, 3017-3025 (2020)

【用語解説】

注1　ジメチルスルホキシド(DMSO)
　分子式C₂H₆SOの有機溶媒の一種。実験室レベルから工業的規模に至るまで広く溶媒として使用される他、10％程度の溶液は細胞の凍結保存として使用されている。
注2　ES細胞やiPS細胞
　多能性幹細胞の一種。ES細胞は胚性幹細胞、iPS細胞は人工多能性幹細胞の略である。生体外にて、理論上ほぼすべての組織に分化する分化多能性を保ちつつ、ほぼ無限に増殖させることができるため、有力な万能細胞の一つとして再生医療への応用が期待されている。現在はDMSOを使用した保存液で保存されているが、DMSOの分化への影響が危惧される。
注3　分化
　多細胞生物において、個々の細胞が構造機能的に変化すること。
注4　両性電解質高分子
　一分子中にプラスとマイナスの電荷を共にもつ高分子化合物。
注5　ガラス化保存技術
　受精卵などの保存によく用いられている超低温保存の一つ。凍結時においても氷の結晶を形成しにくい溶質濃度の高いガラス化液を用い、保存した細胞が氷による物理的傷害を受けにくい。
注6　スフェロイド
　三次元的な細胞のコロニーで、再生医療の組織形成のビルディングブロックとして期待されている。
注7　固体NMR
　固体NMRとは固体試料を観測対象とした核磁気共鳴 (NMR) 分光法で、方向依存的な異方性相互作用の存在のため共鳴線の線幅が広いのが特徴である。通常、共鳴線の先鋭化のため、試料を静磁場に対してマジック角（54.7°）傾けて、超高速で回転（MAS：Magic Angle Spinning）させて測定を行う。本研究では、温度制御装置を備え付けた固体MAS検出器により、プロトンとナトリウムの核磁気共鳴スペクトルを測定し、低温時の水やNaイオン、高分子の運動性について議論した。

【論文情報】

令和3年2月9日