北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

生体内の高分子混雑に着目した新規の細胞モデルの創成に成功

　名古屋大学大学院理学研究科の瀧口 金吾講師、同志社大学生命医科学部の作田 浩輝特任助教、藤田 ふみか大学院生、北陸先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科 生命機能工学領域の濵田 勉准教授、法政大学生命科学部の林 真人教務助手、三重大学大学院工学研究科の湊元 幹太教授、京都大学高等研究院医学物理・医工計測グローバル拠点の吉川 研一特任教授らの共同研究グループは、二種類の水溶性高分子のミクロ相分離条件下でDNAとリン脂質を共存させると、内部にDNAを取込み、リン脂質の膜で囲まれた細胞内小器官様の構造が自発的に生成することを発見しました。この発見が元になり、細胞が自律的に複雑な構造や高度な機能を生み出す機構の謎に迫る研究に発展することが期待されます。
　その成果をまとめた論文が、国際科学雑誌ChemBioChem誌のオンライン版に2020年7月15日付けで公開されましたが、この度、Very Important Paper の1つに選ばれ、研究内容を紹介するイラストがChemBioChem誌の2020年21巻23号に掲載されました。
　この研究は、平成24年度から始まった文部科学省科学研究費助成事業新学術領域『分子ロボティクス』プロジェクトおよび平成31年度から始まった日本学術振興会科学研究費助成事業『細胞結合ネットワークの構築による人工細胞モデルの組織化と集団動態発現』等の支援のもとでおこなわれたものです。

【ポイント】

• 異なる高分子 ^注１）の混雑によって高分子同士が相分離 ^注２）を起こしてミクロ液滴を形成している溶液にリン脂質を加えると、脂質が自発的にミクロ液滴の界面に局在化することで、細胞内小器官（オルガネラ）^注３）の形成に似た区画化を起こすことを発見した。
• この新知見を利用することで、リン脂質によって小胞化されたミクロ液滴の内部に、長鎖DNAを濃縮して封入させることに成功した。
• 本研究で見出されたミクロ液滴のリン脂質によって区画化される小胞化は、原始生命体（細胞の起源）のモデル実験系と成り得ると同時に、人工脂質膜小胞を調製するための有力な新手法として期待される。
• この研究成果をまとめた論文が、国際科学雑誌ChemBioChem誌に掲載され、さらに、Very Important Paper (VIP)に選ばれた。【論文を紹介するイラスト（下図）はChemBioChem誌の2020年21巻23号に掲載】

【研究背景と内容】

　近年、細胞内の複雑な構造が生み出される起源や、脂質膜によって区画化される多様な細胞内小器官および、顆粒などの膜によって隔てられていない領域 ^注３）などが形成・維持される機構について、相分離 ^注２）の視点から研究されています。
　本研究では、液－液相分離（LLPS）^注２）を示すことができる水溶性の高分子ポリマーであるポリエチレングリコール（PEG）およびデキストラン（DEX）^注１）の混合によってミクロ液滴を生成させた溶液にリン脂質を加えると、ミクロ液滴の界面に脂質が自発的に集まって膜を形成することを見出しました（図１）。この脂質に覆われたミクロ液滴が、外液の浸透圧を高張にすると、脂質二重膜でできた膜小胞と同様に破裂や穿孔、収縮をすることから（図２）、ミクロ液滴を覆う脂質が、生体膜の基本構造である脂質二重膜と同じ性質を示すことが分かりました。

図１：ミクロ液滴の界面へのリン脂質の蓄積。
リン脂質添加後のPEG / DEX混合溶液の顕微鏡画像（ミクロ液滴の生成を示す明視野像とリン脂質の局在を示す蛍光像）。蛍光像（白の破線部分）から得られた蛍光強度の空間プロファイル。

図２：高張な水溶液（NaCl溶液）の注入による脂質膜構造の形態変化。
外液の浸透圧が変化することによって、リン脂質に覆われたミクロ液滴の内部から外液に向かって大量の水分子が移動しようとする結果、脂質膜の破裂や穿孔や収縮が起きる。左から、破裂後のリン脂質の凝集塊、穿孔を起こした脂質膜の残骸、収縮した脂質膜。

　ところで、核酸であるDNAも生体内で重要な働きをしている天然の高分子です。我々共同研究グループの先行研究から、長鎖DNAがDEXを高濃度で含むミクロ液滴に遍在することが明らかにされていました。長鎖DNAを内部に濃縮して取込んだミクロ液滴を形成している相分離溶液系にリン脂質を加えると、やはり脂質が自発的にミクロ液滴を覆うことで、内部にDNAを含む細胞内小器官様の安定化された小胞の形成が認められました（図３）。
　このミクロ液滴からリン脂質膜で安定化された細胞内小器官様の小胞が自発的・自己組織的に創成されてくる過程は、原始の生命体の細胞の内部構造の起源を考える際の貴重な知見であり、多種類の高分子の混合によって細胞内小器官（オルガネラ）や膜によって隔てられていない構造が自発的に形成されてくる可能性を示した研究成果です。

図３：リン脂質の膜で区画化・小胞化されたミクロ液滴へのDNAの自発的なカプセル化。
長鎖DNAを含むPEG / DEX混合溶液にリン脂質を添加すると、自発的にDNAを取込んだ脂質の膜に覆われたミクロ液滴が生成される。

【成果の意義】

　本研究の発見は、多種類の高分子の混合によって生体高分子（ここでは長鎖DNA）を取込んだミクロ液滴が自発的に生じ、これに生体膜の重要な構成成分であるリン脂質を加えると、更にミクロ液滴の界面にリン脂質が集積して自己組織的に細胞内小器官様の小胞構造が形成されることを示した研究成果です。
　この発見の特筆すべきこととして、本研究で用いられたどの成分、高分子のPEGとDEX、生体高分子の長鎖DNA、そしてリン脂質も、酵素と基質との間に観られる鍵と錠との関係のような相互作用を互いに示さないことが挙げられます。このことは、生命現象の説明や理解に必ず分子間の特異的な相互作用の存在を想定して来たこれまでの生命科学に一石を投じるものであり、非常に重要です。
　細胞内では、細胞分裂の際、分離・分配された染色体が脂質の膜で覆われ核膜が再生することで２つの娘細胞の核が形成されます。また、オートファジーでは、変性したり役目を終えたりした生体因子や細胞内に侵入して来た細菌などの外敵の分解除去のため、あるいは細胞内物質のリサイクルのため、それらを取り込む様に脂質膜でできた"袋"を形成します。これらのことから、本研究で得られた知見は、非膜性の顆粒の様な細胞内領域と膜に覆われた細胞内小器官との関係に新たな視点を与えると共に、濃厚環境での生体高分子の在り様、細胞内に観察されるような重層的に区画された領域や細胞内小器官の様な特別な構造の起源の理解に迫る成果だと言えます。

【用語説明】

• 注１） 高分子（ポリマー）：
  ある化学物質が、様々な結合を介して連なっていくことで、より大きな分子になったもの。一本の鎖状のポリマーもあれば、枝分かれしながら繋がっているポリマーもあります。
  今回の研究で用いられたポリエチレングリコール（PEG）やデキストラン（DEX）は、その代表的なものです。
  DNAも、ヌクレオチドが連なってできた天然のポリマーです。生体内には、様々な糖鎖やアクチン線維や微小管の様なアクチンやチューブリンと呼ばれる蛋白質が繊維状に集まってできた細胞骨格などが存在していますが、これらも天然のポリマーと考えることができます。
• 注２） 相分離、液－液相分離 (Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS)：
  LLPSは、複数の水溶性高分子を混合し混雑化すると（図４ (a)）、ある高分子が他の高分子よりも高濃度で存在する領域が水溶液中に現れる現象です。このように異なる領域に分かれていく現象を相分離と呼びます。そのようにしてできてくる領域ですが、混合の仕方によって生きた細胞や細胞内小器官と同等のサイズを持つミクロ液滴になります。
  今回の研究では、PEGが濃く存在する溶液中に、DEXが濃く存在するミクロ液滴が生じる条件下で実験が行われました（図４ (b)）。

図４：PEGとDEXの混合（左）によって生じるLLPS（上）。Bars = 100 μm。本共同研究グループの先行研究論文 ChemBioChem 2018, 19(13), 1370-1374 (Figure S1) より転載。

• 注３） 細胞内小器官（オルガネラ）：
  細胞内に存在する核やミトコンドリア、ゴルジ体などの総称。
  これまで細胞内小器官は、膜によって外界から隔てられて、その構造や機能が維持されていると考えられてきました。しかし近年、膜によって外部から隔てられていない領域・顆粒（例として核小体やストレス顆粒など）が、非膜性の細胞内小器官として重要な働きを担っていることが分かってきて、それらの形成維持機構が、細胞内の複雑で階層的な構造の組織化に関連して議論される様になっていました。

【論文情報】

【研究費】

・科研費　基盤研究（A）（15H02121）
・科研費　基盤研究（C）（19K06540）
・科研費　基盤研究（B）（20H01877）
・特別研究員奨励費（18J12947）
・文部科学省新学術領域研究
「アメーバ型分子ロボット実現のための要素技術開発とその統合」（24104004）
・文部科学省新学術領域研究
「ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立」（25103012）
・文部科学省新学術領域研究
「宇宙からひも解く新たな生命制御機構の統合的理解」（18H04976）

令和2年12月9日

　9月27日（日）～9月30日（水）にかけて、2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2020)が北陸先端大を運営会場としてオンライン開催されました。
　SSDMは、日本の半導体産業にも多大な貢献のある同分野におけるアジア地域最大の国際学会です。固体素子・材料の科学と技術を幅広くカバーしており、日本で開催されている国際会議の中で最も伝統のあるものの一つでもあります。
　SSDM2020は、当初、北陸地区では初めてとなる富山県での開催を予定していましたが、新型コロナウィルスの影響により、オンラインでの実施に変更となりました。

　今回、事前登録者だけでも700名を超える参加者が集まり、情報通信技術（ITC）分野や、太陽光発電・バッテリーなどのエネルギーイノベーション・ライフイノベーションの応用分野などのさまざまな分野から研究者や技術者が参加し、開催期間中340件を超える研究発表が行われました。

　オンライン開催であったSSDM2020は、指揮・統括を行う拠点であるバックオフィスを、共催機関である北陸先端大に設置し、実行委員長である水田教授（環境・エネルギー領域）、赤堀准教授（応用物理学領域）らを中心に、北陸先端大及び金沢大学の教員、学生が一丸となり、最大で10セッションがパラレルで進行する、大規模な国際学会の運営にあたりました。
　バックオフィスで実際に運営にあたった近隣大学の学生らは、通常の学会運営とは異なるトラブルに見舞われることもありましたが、他大学の教員や留学生から研究発表とは違った刺激を受け、積極的に運営に取組んでいるようでした。
　また、富山大学、富山県立大学や川崎市の株式会社東芝にもサテライトオフィスを設置し、学会運営やトラブル等への対応を行いました。

　次回のSSDM2021は、2021年9月6日から9日の日程で、札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）で開催予定です。

バックオフィスで運営にあたる教員や学生の様子

令和2年10月2日

　環境・エネルギー領域の大平 圭介教授の研究課題が、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「太陽光発電主力電源化推進技術開発」の研究開発項目（I）太陽光発電の新市場創造技術開発/（ⅱ）壁面設置太陽光発電システム技術開発に採択されました。

　太陽光発電の主力電源化に向けて、需要地に近接しているが従来の技術では太陽光発電の導入が進んでいなかった場所を利用可能にするための太陽光発電システム開発や、長期安定的な事業運営確保として現在顕在化している課題解決のための技術開発が求められています。

　NEDOではこれらの開発を推進するため、「太陽光発電主力電源化推進技術開発」において(i)フィルム型超軽量太陽電池の開発、(ii)壁面設置太陽光発電システム技術開発、(iii)移動体用太陽電池の研究開発での公募を実施し、今回、33テーマを採択しました。

　*詳しくは、NEDOホームページをご覧ください。
　https://www.nedo.go.jp/koubo/FF3_100292.html

■研究課題名
　多機能・高品質薄膜の利用による壁面太陽電池モジュールの長寿命化

■研究期間
　2020年7月～2023年3月（継続の可能性あり）

■研究概要
　建造物の壁面に設置するタンデム型太陽電池モジュールの発電性能および意匠性に関し、建造物と同等の寿命を達成するための要素技術開発を行う。本学で長年研究を行っている、触媒化学気相堆積(Cat-CVD)法で形成する窒化Si膜は、100℃程度の低温製膜でも高い膜密度が得られ、膜自体の長期安定性と、高いガスバリア性能を発揮する。この窒化Si膜をタンデムセル上に形成し、タンデムセルの色調安定化と水蒸気浸入による発電性能低下の抑止を達成するための基盤技術確立を目指す。また、再委託先である岐阜大学では、酸化Si膜を塗布法によりモジュールのカバーガラス上に形成し、防汚性能、反射低減性能等を付与する検討を行う。

■採択にあたって一言
　建造物の壁面に設置する太陽電池モジュールの開発は、いわゆるネット・ゼロ・エネルギー・ビル(ZEB)を実現するために、大変重要な研究です。今回、同時に採択された新潟大学、青山学院大学、再委託先である岐阜大学とも連携の上、本学の技術の強みを生かしつつ研究開発を進め、太陽光発電の普及拡大に貢献していきたいと思います。

令和2年7月31日

　学生のCHIEW, Yi Lingさん (博士後期課程２年、応用物理学領域、大島研究室)が, シンガポールで開催された国際会議 10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT)（参加者約3,000人）において最優秀ポスター賞を受賞しました。
　本成果は小矢野研究室（環境・エネルギー領域）との共同研究によるものです。

■受賞年月日
　令和元年6月28日

■論文タイトル
Unravelling Planar Distribution of Intercalated Fe Atoms in TiS2 Layered Structure Using Transmission Electron Diffraction

■著者
　Y. CHIEW, S. ABE, M. MIYATA, M. KOYANO, Y. OSHIMA

■論文概要
The discovery of new functions by intercalating guest atoms into host layered materials have attracted attention due to the wide possibilities of applications achievable. These intercalated 2-dimensional materials are known to form complex superlattices, which are difficult to analyze. For example, the material in this study, FexTiS2, has been reported to form 2a×2a or √3a×√3a superlattices for x = 1/4 or 1/3, respectively (a is the lattice constant of the TiS2 layer) where the Fe atoms occupy octahedral sites. However, in our study, a new, larger superlattice is proposed for FexTiS2 (grown with nominal content x = 0.33), based on the transmission electron diffraction (TED) pattern. TED is a powerful method that can be used to clarify two-dimensional atomic structures such as the Si (111) 7×7 reconstruction. Using the Patterson map constructed from TED pattern, the superlattice is observed to have P3 symmetry with unit lengths of √43 a× √43 a, rotated at an angle of 7.5888°. Further analysis of the TED pattern and its Patterson map also allowed the determination of the planar distribution of Fe atoms. Nine Fe atoms are found to be present in the unit cell and the Fe atoms occupy not only octahedral sites, as reported previously, but in tetrahedral sites as well.

■受賞にあたっての一言
It is a great honor to receive this award from the conference. I am extremely grateful to Prof. Yoshifumi Oshima, Prof. Mikio Koyano and Assistant Prof. Masanobu Miyata for the constant guidance. I would also like to thank the staff of Nanotechnology Platform in JAIST for their support with my sample preparation and characterization. And last by not least, I would like to thank all my lab members and friends for always being there for me.

令和元年7月3日

　学生のMohd Zaidan bin Abdul Azizさん(博士後期課程3年、応用物理学領域 ∙ 村田研究室)がThe 9th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2018 (NANO-SciTech 2018) においてAward of Best Oral Presentation を受賞しました。

　The 9th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2018 (NANO-SciTech 2018) was held in Institute of Business Excellence (IBE), Universiti Teknologi MARA (UiTM), Shah Alam, Selangor, Malaysia on February 26 - March 1, 2018. This conference serves as a platform for the experts' interaction with simultaneous networking opportunities and also provides potential linkages to explore the innovative ideas of the participants from different regions over the world. It aims to discover the advances, practical experiences and innovative ideas on issues related to Nanotechnology as well as a breadth of other topics. The Award of Best Oral Presentation was presented based on the way and contents of the oral presentation.

■受賞年月日
　平成30年2月28日

■著者
　Mohd Zaidan bin Abdul Aziz, Heisuke Sakai and Hideyuki Murata

■論文タイトル
　Effect of rubbing on the performance of bilayer P3HT/PCBM organic photovoltaic cells utilizing high regioregular P3HT.

■論文概要
　My research involves the fabrication of bilayer organic photovoltaic (OPV) devices with the use of rubbing technique on conjugated polymer layer. The active layer materials for OPV devices consist of the conjugated polymer [e.g. poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT)] as a donor material and fullerene derivative [e.g. phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)] as an acceptor material. The effect of rubbing on the performance of bilayer P3HT/PCBM organic photovoltaic cells utilizing high regioregular P3HT was presented. This research work involves the rubbing process on high regioregular P3HT films [>98 % regioregulariy (RR)] that have resulted in the formation of rougher surface of the films as compared to that of unrubbed film. The sequential deposition of PCBM layer on rubbed P3HT layer induced the larger P3HT/PCBM interfacial area, resulting in more efficient charge transport at the inter-diffusive bulk heterojunction layer. These changes have resulted in the increases in photovoltaic characteristics of rubbed bilayer P3HT/PCBM devices, enhancing the power conversion efficiencies from 2.86 % of unrubbed device to 3.22 % of 10 times-rubbed device.

■受賞にあたって一言
　I am grateful to God and honored for being selected as a winner of the Award of Best Oral Presentation at International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2018 (NANO-SciTech 2018). It was a once in a lifetime opportunity for me to present my research work in my home country. I would like to express my heartiest gratitude to Prof. Hideyuki Murata and Asst. Prof. Heisuke Sakai for their continuous supports and guidance throughout my research works. Also, many thanks to the staff of JAIST Educational Service Section, organizing committee of NANO-SciTech 2018 and all members of Murata Laboratory for their kind assistance and supports. I wish to join this kind of international conference again in the future if there is such opportunity.

平成30年3月9日

　学生の伊藤 麻絵さん（博士後期課程2年、物質化学領域・山口(政)研究室）が、1月26日～1月28日に開催されたICSMA2018においてBest Presentation Awardを受賞しました。

　2018 International Conference on Smart Materials Applications (ICSMA 2018) will take place in Singapore during January 26-28, 2018. The conference program covered invited, oral, and poster presentations from scientists working in similar areas to establish platforms for collaborative research projects in this field. This conference will bring together leaders from industry and academia to exchange and share their experiences, present research results, explore collaborations and to spark new ideas, with the aim of developing new projects and exploiting new technology in this field.

■タイトル
　Control of segmental motion of poly(methyl methacrylate) by addition of metal salts

■著者
　Asae Ito, Naoya Tsugawa and Masayuki Yamaguchi

■論文概要
　Glass transition temperature (Tg) of a polymer is one of important factors for polymer processing and expansion of application of polymers. In these days, various attempts have been reported as a way to enhance Tg. Tg is known to be determined by chemical structure greatly. Therefore, a novel polymeric material with high Tg is proposed. However, it is not easy to be available in industry. Under this situation, our group has been focused on design of new functional polymers by introducing pseudo-crosslinking points with an addition of metal salts to a glassy polymer and elucidate the key to Tg enhancement. This method would be more convenient to enhance Tg. Up to now, we found that Tg of poly(methyl methacrylate) (PMMA), which is one of the most useful polymer, especially as optical materials, was considerably enhanced by addition of specific lithium salts, such as LiCF3SO3 and LiBr. In this conference, I will give a presentation on the Tg enhancement by addition of the lithium salts and the mechanism of this phenomenon.

■受賞に当たって一言
　「2018 International Conference on Smart Materials Applications(ICSMA2018)」は非常に幅広い分野からの参加者で構成されているため、異分野の方にも自分の研究内容を面白いと感じてもらえるように、自分なりに考えて発表準備を行いました。その結果、Best Presentation Awardをいただくことができ、大変光栄に存じます。指導教員の山口政之教授をはじめ多くの方々のご指導に感謝するとともに、審査員の先生方に深く感謝いたします。

平成30年1月31日