高性能高耐久性水電解セルを可能とするアニオン膜を開発
～ポリフェニレン型高分子の置換基と組成の最適化で高導電率と安定性の両立が可能に～

山梨大学クリーンエネルギー研究センター・早稲田大学理工学術院の宮武 健治（みやたけ けんじ）教授らの研究グループは、電気エネルギーを用いて水素と酸素を得る水電解デバイスの性能を大幅に向上させる新たなアニオン膜※1、Quaternized Terphenylene Alkyl Fluorene（QTAF)の開発に成功しました。このQTAF膜はポリフェニレン型高分子※2の構造や置換基、共重合組成を新たに設計することにより実現され、常温から80℃の温度範囲で高い水酸化物イオン導電率（>100mS/cm）を示すとともに、膜厚50μｍ以下の薄膜にしても強靭な強度と気体バリア性を併せ持っています。その結果、高濃度のアルカリ水溶液（8Ｍ KOH水溶液）に長時間浸漬しても性能劣化や分解が起こりにくい特徴を有し、アルカリ水電解セル※３の電解質として求められる多くの性能を満たしています。

本研究で開発したQTAF膜を電解質として用い、遷移金属合金（NiCoO）からなる酸素発生電極触媒と組み合わせることで、高電流密度（2.0A/cm2）でも低いセル電圧（1.72Ｖ）で運転可能な高性能な水電解セルを開発することができました。1000時間作動しても性能がほとんど低下しない耐久性も確認されました。水素発生電極触媒の非貴金属化や更なる高電流密度化、電解条件の簡素化、スケールアップ、など解決すべき課題は残されていますが、低炭素社会に貢献するエネルギーデバイスの可能性を示すことができた成果であります。

発表のポイント

• 側鎖にアンモニウム基を置換したポリフェニレン型高分子を用いて、水酸化物イオン導電率とアルカリ安定性に優れるアニオン膜を開発した。
• 疎水性置換基とその組成の効果を最適化することにより、アニオン膜の導電率は170mS/cm（水中80℃）にまで達した。
• 開発したアニオン膜と遷移金属系合金の酸素発生電極触媒を用いた水電解セルは、高性能（電流密度が2.0A/cm²でセル電圧が1.72V）と高耐久性（1000時間）を達成した。
• 再エネ電力などを用いたグリーン水素製造デバイスとしての展開が期待できる。

本研究成果は、2024年9月29日（日）にドイツ化学会が発行するハイインパクトな学術雑誌『Advanced Energy Materials』のオンライン版で公開されました。

【論文情報】

雑誌名：Advanced Energy Materials
論文名：Polyphenylene-Based Anion Exchange Membranes with Robust Hydrophobic Components Designed for High-Performance and Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers Using Non-PGM Anode Catalysts
DOI：10.1002/aenm.202404089

これまでの研究で分かっていたこと

アニオン導電性高分子電解質膜（通称、アニオン膜）を用いるアニオン膜型水電解は、アルカリ水溶液を用いるアルカリ水電解の利点（貴金属触媒が不要で大規模化が容易）とプロトン膜型水電解の利点（高電流密度が可能で変動に対する応答性が高い、高純度の水素が得られる）を併せ持ち、非貴金属系の電極触媒やセパレータを用いることにより、プロトン膜型水電解に比べて高効率化と低コスト化のいずれもが優位となる可能性を持っている。しかし、現在のところ耐久性に優れるアニオン膜およびそれと組み合わせて高性能を発揮できる非貴金属電極触媒が開発途上段階であり、技術成熟度レベル（TRL）は3～4程度にとどまっている。日本は2030年ころの水素コスト目標値として30円/Nm³を掲げておりますが、この目標を達成するための水電解技術としてアニオン膜型水電解のTRL向上が強く望まれています。

世界中で数多くのアニオン膜に関する研究がありますが、水酸化物イオン導電率と安定性はトレードオフ関係を示すことが知られており、共に改善するための分子設計指針は明確ではありませんでした。

今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

化学的に安定性が高いポリフェニレン型高分子を主骨格に選択し、高導電性を発現するための構造として側鎖アンモニウム基、機械強度と伸びを大きくする効果がある部分フッ素基を組み合わせる構造に着目しました。その結果、イオン交換容量（IEC）^※４を3程度にまで大きくしても製膜性に優れるアニオン膜（QTAF膜）を作製することができました。得られたQTAF膜は従来までのトレードオフ関係を打破する優れた性能を示すことが明らかになりました。QTAF膜の各種物性を詳細に明らかにするとともに、水電解セルとしての性能実証にも繋げました。

今回、新しく開発した手法

ポリフェニレンの構成成分を疎水部と親水部とに分け、疎水部の構造にベンゼン環が3つ連結したターフェニル構造とし分子の剛直性を増加させました。また、真ん中のベンゼン環に2つのトリフルオロメチル基を置換することにより、重合反応性の向上（生成する高分子の分子量の増大）と有機溶媒性への溶解性も付与する設計にしました。これにより、分子量（重量平均分子量）が750,000を超える巨大分子を得ることができ、薄膜化しても優れた靭性と柔軟性を併せ持つとともに、水中での水酸化物イオン導電率として非常に高い値（173mS/cm）を達成できました。また、従来までの常識とは異なり、疎水部の構造が親水部（アンモニウム基）の化学安定性にも効果があることが新たに分かり、800時間を超える加速アルカリ耐久性試験にも耐えうることを実証しました。

本研究により開発したQTAF膜は遷移金属系の酸素発生電極触媒と組み合わせて水電解セルとして応用可能で、その性能は電流密度1.0A/cm²ではセル電圧1.62Ｖ、2.0A/cm²でもセル電圧1.72Ｖと優れています。長時間運転を模擬した耐久性試験でも、セル電圧の変化率はわずか1.1 µV/h（100～1000時間）でした。

研究の波及効果や社会的影響

水電解は用いる電解質材料により幾つかの種類に分類され、アルカリ水電解やプロトン膜型水電解は開発が先行しており、すでに実用化も進められています。しかし変動が大きい再エネ由来の電源と組み合わせても優れた性能を示し、また貴金属触媒が不要なアニオン膜型水電解は、グリーン水素製造とそれを用いた低炭素社会実現のために欠かせない技術です。特に資源に乏しい日本では、貴金属を用いないエネルギーデバイスは死活的に重要です。本研究で開発したアニオン膜を用いれば、現状のプロトン膜型水電解と同等性能をより低価格で達成できる可能性があります。今後、触媒材料の高性能化・最適化や耐久性などを改善するとともに、セルの大型化、スタック化（セルを直列に繋ぐこと）を企業との共同研究で推進し、早期に実用化することを目指します。

今後の課題

本研究のQTAF膜には、性能向上のために部分的なフッ素構造（トリフルオロメチル基など）が含まれています。そのため、現在規制の準備が国際的に進められているパーフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物（いわゆるPFAS）の対象になる可能性があります。そのため、部分的なフッ素構造を含まない化合物で、本研究で達成できた高性能と高安定性を併せ持つアニオン膜の開発を進めています。また、今回の水電解セルでは水素発生電極触媒としては貴金属（多孔性のカーボン担体に担持したPtナノ粒子）を用いています。両極ともに貴金属を用いないアニオン膜型水電解セルの検討も行っています。

研究者のコメント

アニオン膜型水電解は高効率に低コストで高純度なグリーン水素を提供できる技術として期待されていますが、まだ構成材料の候補が定まっていない段階で世界中で開発競争が盛んに行われています。数年前からドイツのEnaptor社がアニオン膜型水電解水素製造装置の販売を始めていますが、まだ市場は大きくありません。

今後、我々のQTAF膜の改良を更に進めるとともに、酸素発生だけでなく水素発生電極触媒も低コストな非貴金属系化合物で置き換えることを計画しており、アニオン膜型水電解の利点をフルに発現できるデバイスとして仕上げていきたいと考えています。

用語解説

※１　アニオン膜
負電荷を持つイオン（アニオン）が伝導する膜材料の総称。高分子アニオン膜では、一般的に四級アンモニウムなどのカチオン基が高分子に固定されており、対イオンであるアニオンが移動することができる。本研究で開発したアニオン膜では、水酸化物イオンが伝導する。

※２　ポリフェニレン型高分子
ベンゼン環が連続して結合して高分子の主鎖構造を形成した化合物の総称。結合位置や置換基の有無などによって数多くの構造があり得る。本研究でアニオン膜の構造として用いた高分子主鎖にはフルオレン構造が含まれているが、これも広義のポリフェニレン型高分子に分類できる。

※３　水電解セル
水を電気分解して水素と酸素を作る装置。高濃度アルカリ水溶液、プロトン導電性高分子膜、固体酸化物など電解質材料によって分類される。

※４　イオン交換容量（IEC）
イオン交換樹脂の単位重量当たりの交換可能なイオン量のこと。本研究のアニオン膜の場合、膜1ｇあたりのアンモニウム基のモル数を表す。一般的にこの値が大きいとイオン導電率が高くなる。

論文情報

雑誌名：Advanced Energy Materials
論文名：Polyphenylene-Based Anion Exchange Membranes with Robust Hydrophobic Components Designed for High-Performance and Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers Using Non-PGM Anode Catalysts
執筆者名（所属機関名）：Fanghua Liu^＊、Kenji Miyatake （宮武 健治）^＊、^＊＊、Ahmed Mohamed Ahmed Mahmoud^＊、Vikrant Yadav^＊、Fang Xian^＊、Lin Gio^＊、Chun Yik Wong^＊、Toshio Iwataki （岩瀧 敏男）^＊、Yuto Shirase （白勢 裕登）^＊、Katsuyoshi Kakinuma （柿沼 克良）^＊、Makoto Uchida （内田 誠）^＊
＊山梨大学 大学院
^＊＊早稲田大学 先進理工学部 応用化学科
掲載日時（ドイツ時間）：2024年9月29日（日）
掲載日時（日本時間）：2024年9月29日（日）
掲載URL：https://doi.org/10.1002/aenm.202404089
DOI：10.1002/aenm.202404089

研究助成

研究費名：JST　革新的GX技術創出事業
研究課題名：グリーン水素製造用革新的水電解システムの開発
研究分担者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

研究費名：文部科学省　データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト
研究課題名：再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点（DX-GEM）
研究分担者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

研究費名：NEDO　燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業
研究課題名：アニオン膜型アルカリ水電解セルの要素研究と実用化技術の確立
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

インジェクション攻撃による被害を防ぐためのソフトウェア修正技術を世界にさきがけて実現
専門知識を持たない開発者でもソフトウェア開発段階で文字列操作の誤りを容易に修正

発表のポイント

• ソフトウェアの脆弱性を悪用した攻撃の中でも重大な脅威とされているインジェクション攻撃の主要な原因とされている文字列操作の誤りを修正する技術を開発しました。
• この技術により、専門知識を持たないソフトウェア開発者でも正規表現に起因する文字列操作の誤りの修正が開発段階で可能となりました。
• サービスの運用段階におけるソフトウェアの誤りの修正には多大なコストがかかりますが、この成果により、開発段階で誤りが修正できるため、コストの軽減と安全なサービスの実現が期待されます。

日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田　明、以下「NTT」）と学校法人早稲田大学（本部：東京都新宿区　理事長：田中愛治　以下、「早稲田大学」）は、情報漏洩やサービス停止の原因となり得るインジェクション攻撃による被害を防ぐための、ソフトウェアを構成するプログラム中の文字列関数を用いた文字列操作の誤り（バグ）を修正する技術を世界で初めて実現しました。

ソフトウェアの脆弱性を悪用した最も大きな脅威の１つであるインジェクション攻撃は、プログラム中の文字列操作の誤りが主要な原因であることが知られています。本技術により、専門知識を持たないソフトウェア開発者でも容易に文字列操作の誤りを開発段階で修正することが可能となります。サービスの運用段階におけるソフトウェアの誤りの修正には多大なコストがかかりますが、開発段階で誤りが修正できるため、コストの軽減と安全なサービスの実現が期待できます。

本技術の詳細は、米国カリフォルニア州サクラメントにて開催されるソフトウェア工学分野の最難関国際会議IEEE/ACM ASE 2024（※1）にて2024年10月30日（米国時間）に発表します。

背景

ソフトウェアの脆弱性を悪用した攻撃は現代社会における重大な脅威です。最も大きな脅威の１つにインジェクション攻撃があります。インジェクション攻撃は、サーバなどへの攻撃手法のひとつで、サーバで利用しているデータベースなどに対して不正な入力情報を送信して、予期しない動作を引き起こします。この攻撃をもたらす欠陥はインジェクション脆弱性と呼ばれ、プログラム中の文字列操作の誤り（バグ）が主な原因であることが知られています。

ソフトウェアを構成するプログラム中で文字列操作を記述する際には文字列関数が利用されます。文字列関数は多くのプログラミング言語で提供されており、文字列の抽出・置換検索などの文字列操作を記述するために頻繁に利用されています。

しかし、文字列関数を利用して文字列操作を行う際には文字列関数が利用する正規表現（※2）やその他の入力情報、文字列関数自体の仕様に関する専門的な知識が要求され、適切に記述することは難しいことが知られています。

文字列操作を伴うプログラムはさまざまなソフトウェアで幅広く利用され、WebサイトのフォームにユーザがWebブラウザ経由で入力した情報をWebサイト側で加工処理するなど多くのサービスを実現しています。文字列操作に誤りがあるとサービスの誤動作を引き起こし、情報漏洩やサービス停止の原因となる場合があり、サービスの運用段階におけるソフトウェアの誤りの修正には多大なコストがかかります。また、この誤動作を意図的に起こそうとするサイバー攻撃も顕在化しており、安全なサービスの実現を脅かすリスク要因となっています。

研究の成果

これまでNTTと早稲田大学は共同で、プログラム中で文字列を扱う操作により発生し得る脆弱性や誤りを自動修正する技術の研究を行ってきましたが、その対象は正規表現に限定されていました（※3、※4）。

本成果では、プログラム中の文字列関数を使った文字列操作の誤りを、ソフトウェア開発者が与える入出力例を基に修正する技術を世界で初めて実現し、正規表現を含む文字列操作にまで修正対象を広げることを可能としました。

役割
NTT：問題の形式化と修正手法の考案。
早稲田大学理工学術院 寺内多智弘教授：NTTが考案した手法の理論的な正確さの検証。

本技術のポイント

本技術は、インジェクション攻撃の主要な原因であるプログラム中の文字列操作の誤りをソフトウェア開発者が与える入出力例を基に修正し、修正結果に誤りがないことを保証する技術です。

本技術のポイントは、以下の通りです（図１）。

① 文字列関数に期待する入出力例を表記する方法を考案

従来的な入出力のみを提示する例を用いた場合と比べ、ソフトウェア開発者が文字列関数に期待する入出力例を入力と出力だけでなく入力のどの部分をどのように変換したいのかも含めて表記できるようになり、適切な修正結果の出力に寄与します。この表記は、プログラムが満たすべき入出力の例を基にプログラムを生成する「Programming by Examples （PBE）」メソッド（※5）を用いて与えます。

② 文字列関数の振る舞いを理論モデルとして厳密に定義

この定義を用いることで、修正対象の文字列関数に与える情報であるパラメータがすべての入出力例を満たすための条件を導き出すことが可能となります。本技術では、Webアプリケーションなどで広く利用されている ECMAScript 2023 (※6) に準拠した文字列関数の振る舞いを厳密に定義しました。これにより、修正結果がすべての入出力例を満たすことを保証できるようになります。

③ 理論モデルに従い、例を全て満たす形に文字列関数のパラメータを修正する技術を考案

修正結果のパラメータとなり得る候補を、明らかに入出力例を満たさないものを除外しつつ網羅的に探索する手法を考案しました。この手法では、現実的な時間内に修正処理を終えることが可能となります。また修正結果が修正前のパラメータに対して最小限の変更による修正が可能となり、ソフトウェア開発者が目視で容易に修正結果を確認できるようになります。

本技術により、ソフトウェアの脆弱性を悪用した攻撃の中でも重大な脅威とされているインジェクション攻撃の主要な原因とされている文字列操作の誤りを開発段階で修正可能となるため、修正コストの軽減とソフトウェア開発の品質向上に貢献できるものと期待されます。

今後の展開

サービスの運用段階におけるソフトウェアの誤りの修正には多大なコストがかかりますが、本技術が利用されていくことで、ソフトウェアの開発段階で誤りが修正できるため、コストの軽減と安全なサービスの実現が期待できます。またAIを用いたプログラムの自動生成において、非熟練者がAIを用いて作成したプログラムに含まれる誤りにどう対処するのかという新しい問題も生まれています。文字列操作の誤りを修正する本技術は、AIによる自動化のメリットを損なうことなくプログラムの安全性向上に寄与できるものと期待されます。今後は、文字列操作に伴う脆弱性そのものを修正する技術の研究を進める予定です。

用語解説

※1．ASE
Automated Software Engineering はIEEE/ACMによって運営されるソフトウェア工学分野の最難関国際会議。本技術は、2024年10月27日～11月1日に開催されるIEEE/ACM ASE 2024(39th IEEE/ACM International Conference on Automated Software Engineering )にて、下記のタイトル及び著者で発表されます。

タイトル：Repairing Regex-Dependent String Functions
著者：Nariyoshi Chida (NTT Social Informatics Laboratories), Tachio Terauchi (Waseda University)
URL: https://doi.org/10.1145/3691620.3695005

※2. 正規表現
コンピュータで特定の文字の並び（文字列）をルールに基づき簡略化して表現する方法の1つで、特定の文字列のパターンを検索・抽出・置換するときに用いられる。

※3．プログラム中の文字列チェック機能の脆弱性を自動修正する技術を世界に先駆けて実現～専門知識をもたない開発者でもReDoS脆弱性の修正が容易に～
https://group.ntt/jp/newsrelease/2022/03/23/220323b.html

※4．プログラム中の文字列抽出機能を自動修正する技術を世界に先駆けて実現～専門知識をもたない開発者でも正規表現の修正が容易に～
https://group.ntt/jp/newsrelease/2023/06/16/230616b.html

※5．ECMAScript 2023
ECMAScriptは、Webアプリケーションなどで広く利用されているプログラミング言語JavaScriptの標準規格。本技術は2023年に改定されたECMAScriptを対象に検証を実施。

※6 Programming by Examples （PBE）メソッド
プログラミングの知識を持たないエンドユーザでもプログラムを生成できるようにする手法の1つで、プログラムが満たすべき入出力の例を与えると、それを実現するプログラムを自動で生成する技術。

#3 『研究には、お金が必要だ』

研究資金を調達するには「資金計画」が必要

その計画をちょっと工夫すれば、「起業」できてしまう？！

資金計画の秘伝、教えます。

【講演者】
明石宗一郎　早稲田大学アントレプレナーシップセンター事業化アドバイザー

早稲田大学創造理工学部経営ｼｽﾃﾑ工学科を卒業後、外資コンサルティング、外資ソフトウェアなどの企業を経て、ベンチャーキャピタルにて大企業の新規事業や技術シーズをカーブアウトして成長させるビジネスクリエーションに従事。

開催概要・申込み

日時：2024.11.18 (月) 18:00 ~ 20:00　※軽食をご用意します

会場：西早稲田キャンパス　55号館S棟1階　竹内記念ラウンジ

対象：主に若手研究者および博士課程院生

定員：20名程度

主催：早稲田大学アントレプレナーシップセンター

申込：下記リンク先から要事前申し込み（※軽食手配のため、11月13日（水）までにお申し込みください。）

“ White Space of Research”

研究の余白には何かある。

余白の中で、当たり前を疑えたなら、
そこに新しい価値を見い出せるかも知れない。

時間や雑務に追われ、充血した目で考え出した発想よりも、
非日常の出会いから生み出された発想にこそ
「面白い！」が隠れているような気がする。

 “White Space of Research”

出会いの数だけ、余白は広がる。

※研究開発型スタートアップ対話イベント　Dialogue Meeting “White Space of Research”　は、研究者の皆さんが研究成果の実用化・起業を身近に感じていただくことを目的として、アントレプレナーシップセンターが企画するダイアログ(対話)企画です。毎月１回開催を予定しています。今後の開催もお楽しみに。

「高専での専門知識を活かしつつ、さらに高いレベルで学びたい。」そう考えているあなたへ。先輩たちからのメッセージをお届けします。

高専から早稲田大学への編入制度がスタートしています。2024年4月には第一期生たちが入学し、早稲田での学生生活を謳歌しています。

最先端の研究に触れる機会、多様なバックグラウンドを持つ学生との交流、充実した学生生活など、早稲田大学はあなたに無限の可能性を提供します。

あなたも、早稲田で多様な仲間と出会い、未来を切り開く一歩を踏み出しませんか。

創造理工学部 建築学科３年　奥村 羽夢さん

　石川工業高等専門学校 卒業

1.　首都圏の私立大学である早稲田大学を選んだ理由は何ですか？

幼少期から憧れだった早稲田大学で、高専で得た建築の知識からさらに深く学ぶと共に新たな知識を広く身につけ、実社会で多様に活躍できる人材になりたいと考え志望しました。空間設計やデザインを専門とする教授が多くいらっしゃる点や実務家の方々を非常勤講師として招いているという点がとても魅力的だと感じました。

2.　高専卒として、他の入学者と比べて自分（達）の強みを実感したこと、また高専のカリキュラムのなかで、大学での学びに生かされたと感じる学びやスキルがあれば、教えてください。

高専で一通り学んだことに関する授業が多く、復習に加え新たな学びを得ることができるため、持っている知識への理解がさらに深まっていくことが強みだと感じています。また、高専での構造計算や建築計画学に関する学びが構造体を描く構造製図や様々な公共施設を計画する設計製図に取り組む際にとても生かされています。

3.　将来の夢や希望する進路を教えてください。

まず近い将来で一級建築士資格を取得したいと考えています。そして建築に対するお客様の要望を叶え、喜びや幸せを感じられる住宅や各種施設の設計に携わることができる建築家になりたいと考えています。そのために、周りに多くの優秀な学生がいる今の環境で様々な知識を得ることで将来に生かしていきたいと感じています。

4.　高専生へのメッセージをお願いします。

高専での5年間は大切な思い出であり、多くの学びを得ることが出来たかけがえのない時間だと感じています。残りの高専生活を楽しみ、多くの選択肢の中から悔いのない進路選択をしてください。

基幹理工学部 情報理工学科３年　山田 凌央さん

　沼津工業高等専門学校 卒業

1.　首都圏の私立大学である早稲田大学を選んだ理由は何ですか？

私は高専でロボティクスや画像認識技術の研究を行い、大学では幅広い知識と実践的なスキルを深めたいと考えていました。早稲田大学は、最先端の研究環境と学際的なプログラムが充実しており、技術を社会に実装するための学びができる点が非常に魅力的です。また、首都圏に位置し、理工学部と文系学部のキャンパスが近いことから、多様な学問を横断的に学べるだけでなく、さまざまな学生との交流を通じて視野を広げることもできるため、進学を決めました。

2.　高専卒として、他の入学者と比べて自分（達）の強みを実感したこと、また高専のカリキュラムのなかで、大学での学びに生かされたと感じる学びやスキルがあれば、教えてください。

高専では、実践的な技術を早い段階で学ぶことができたため、問題解決力やプロジェクト推進力が身につきました。特に、卒業研究で培ったプログラミングスキルやハードウェアの知識は、大学での研究や授業に非常に役立っています。情報理工学科の春学期の「プログラミングA」の授業でも、自由創作の際にこれらのスキルが生かされました。また、チームでのプロジェクト経験を通じて、論理的に考え、協力しながら目標を達成する力も、他の学生との差別化要素と感じています。

3.　将来の夢や希望する進路を教えてください。

私の将来の夢は、ロボティクスや画像認識技術を活用した製品やサービスを開発し、社会に貢献することです。特に、技術を通じて人々の生活を便利にし、より良い未来を実現することに強い関心を持っています。そのために、学生時代に自分のアイデアを社会に向けて具現化することを経験していきたいです。学部卒業後にどのような選択を取るかはまだ明確ではありませんが、技術とビジネスの両面から社会にインパクトを与える存在になりたいと考えています。

4.　高専生へのメッセージをお願いします。

高専で磨いた力は、早稲田でも大きな武器になります。学びも遊びも全力で楽しんで、最高の大学生活を送りましょう！

参考情報

2026年4月編入 入試制度説明会
2025年3月4日に編入学試験（指定校推薦型）制度に関するオンライン説明会（Zoom）を開催します。　詳細はこちらをご覧ください。

めざせ！ 都の西北奨学金
「めざせ！都の西北（みやこのせいほく）奨学金」は、一都三県（東京都・埼玉県・千葉県・神奈川県）以外の国内高等学校出身者で、学業成績が優秀であるにもかかわらず家計の事情で早稲田大学への進学を断念せざるを得ない受験生を対象にした奨学金です。この奨学金は、入学前に奨学金を申請いただき、審査の結果採用候補者となった方に、入学後の奨学金を事前にお約束するものです。詳細はこちらをご覧ください。

早稲田大学と東京科学大学 、超小型衛星でPale Blueと産学連携を開始
～エコで優しい水推進機 で、宇宙科学・工学の新しい展開へ～

早稲田大学と東京科学大学は、2027年の打ち上げを目指し、50キログラム級超小型衛星GRAPHIUM (日本語で「アゲハ蝶」)の開発で、Pale Blue と連携を開始しました。同衛星には小型・高感度のガンマ線観測装置 INSPIREが搭載され、全天のモニタ観測をするほか、サブミッションとして空力を用いた「エコな」フォーメーション・フライト技術を実証します。その補助としても、エコで地球にやさしい水推進機の使用を予定しています。

超小型衛星GRAPHIUMの概要

現在、地上には約300種類の元素が知られていますが、経済や産業、医療にとっても重要な金やプラチナ（レアメタル）が宇宙のどこでつくられるのか、いまだに謎に包まれています。最も有力な説は「キロノバ」と呼ばれる現象で、高密度な中性子星が合体するさいに、一気に金やプラチナが生成されるというものです（図1）。キロノバは強い重力波源としても知られますが、宇宙のどこで、いつ起きるか全く予想ができません。もし、全天のキロノバを監視しつつ、金やプラチナに特有なエネルギーをもつX線やガンマ線を捉えることができれば、そこが元素の生成現場と特定することができます。しかしながら、とくにガンマ線の観測は難しく、これまで打ち上げられた数少ない衛星はいずれも米国、欧州の4,000キログラム以上の大型衛星です。これらの衛星は観測視野も狭く、キロノバのような突発天体の観測には不向きでした。

超小型衛星GRAPHIUM（図2）は、「ひばり衛星」「うみつばめ衛星」に続き、東京科学大学と早稲田大学が合同で開発する超小型衛星プロジェクトです。主ミッションとして、キロノバなどの突発ガンマ線観測をかかげ、宇宙におけるレアメタルの生成現場を探査します。一度に全天の1/4をモニタする広視野かつ高感度のX線ガンマ線カメラ INSPIRE を搭載し、50キログラム級の衛星にもかかわらず従来の大型衛星に匹敵するガンマ線観測が可能です。これは、おもに通信や測位、産業で用いられてきた小型衛星に新しい息吹を与え、新しい科学の方向性を示すものです。さらに、GRAPHIUMの副ミッションとして、将来の宇宙工学を見すえた技術実証を予定しています。具体的には、マーカーとなる数キログラムの小物体を打ち出し、汎用的な光学カメラでこれを検知します。空力（大気抗力と揚力）を用いることで推進剤消費量を大幅に削減してフォーメーションを形成する「エコな」相対軌道制御の実証実験です（図3）。その補助としての推進機もエコで地球にやさしい水推進機の使用を予定しています。これまで用いられてきた推進剤は、有毒な化学物質の使用するものや高価で貯蔵が難しいなど、多くの課題がありました。GRAPHIUM ではPale Blue との産学連携により水推進機の実利用を拡大させます。

GRAPHIUMのさらなる挑戦 ― 宇宙と医療の懸け橋へ

GRAPHIUM衛星の開発は、JST戦略的創造研究推進事業ERATO「片岡ラインX線ガンマ線イメージング」プロジェクトの一環として実施しています。本研究プロジェクトでは、「元素固有の色」であるラインX線ガンマ線のイメージング技術と概念を通じ、宇宙から医療を貫く新しい学問の潮流を創成することを目的としています。特に、金やプラチナなどレアメタルの起源（宇宙科学）を探りつつ、医療応用の新しい可能性に着目し、これを根幹としながら関連分野や技術を網羅的に包括しつつ、研究を進めています（図4）。

金やプラチナは貴金属として経済や社会、産業にも深く根付き、パソコンやスマートフォンは「都市鉱山」と異名をとるほど、基板にレアメタルが多用されています。とくに、金は生体適合性が高く、もっとも安全な金属として多くの医療機器に用いられています。近年では、粒径が数十ナノメートル以下の粒である 「金ナノ粒子(AuNP)」 が抗がん剤など薬物を患部に運ぶ理想的なキャリアとして、さらには、光温熱治療でも大きな注目を集めています。一方で、常にネックとなるのが「体内の薬物動態を可視化する技術」です。一般的に、薬物がヒト体内の狙った箇所に、狙ったタイミングで届けられているかを確認する術はなく、治療効果の最適化や新しい薬剤の開発を困難にしています。もし、広い宇宙でキロノバを探す要領で、ヒト体内の金やレアプラチナを探すことができれば、これまで見えなかった薬物動態をも可視化できることになります。実際、我々の研究グループはキロノバで起こる金の元素合成にアイデアを得て、マウス体内でのAuNP分布を可視化することに成功しました。また、診断装置であるCT（コンピュータ断層撮影）に色付けをすることで、AuNPの分布のみを描出することに成功しています。これらは全て、小型衛星開発から得られた知見が活かされています。

研究者のコメント

東京科学大学 総合研究院 量子航法センター 渡邉奎 特任助教 コメント
私たちは軌道上で衛星を変形させる可変形状機能を「ひばり」衛星で実証し、さらに空力を利用した軌道制御へ応用しようとしています。GRAPHIUMでは水推進と空力によりフォーメーション・フライトを低リソース・低コストに実証することを試みますが、これによって超小型衛星にとっての軌道制御のハードルが下がり、今後の超小型衛星ミッションがさらに多様化することを望んでいます。

東京科学大学 工学院 機械系 中条俊大 准教授 コメント
GRAPHIUMは、理学的にも工学的にも、超小型衛星としては非常に充実度が高いミッションを実施する計画です。その中のフォーメーション・フライト実験は、推進システムが必要なため以前は敷居が高いものでしたが、水推進機技術の発展により超小型衛星でもできるようになりました。空力と組み合わせた軌道制御は工学的には面白い実験ですので、実現が楽しみです。

早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科 片岡淳 教授 コメント
宇宙科学は衛星とともに大型化し進化してきましたが、同時に科学が本来もつべきフットワークの軽さや柔軟な探求心が、徐々に失われつつあります。ところが現在、世界中では年間300基を超える小型衛星が打ち上げられ、宇宙への敷居が急速に下がりつつあります。GRAPHIUMは、小型衛星を基軸として先端科学や宇宙工学に切り込むユニークなプロジェクトで、今後のモデルパターンとなると期待しています。

Pale Blue 共同創業者 兼 代表取締役 浅川純 コメント
先端科学や宇宙工学の新たな世界を切り開くGRAPHIUMは、「人類の可能性を拡げ続ける」という当社のミッションとの親和性も高く、この度ご一緒できることを大変嬉しく思います。小型衛星技術のさらなる発展と、宇宙ビジネスの活性化に貢献できるよう、大学や研究機関との連携を強化し、イノベーションを加速させていきます。

研究助成

本研究は、 JST ERATO JPMJER2102の支援を受けたものです 。

異常な病的タンパク質を作らないために
―mRNAの品質を管理する仕組みの発見―

発表のポイント

• 遺伝子DNAからメッセンジャーRNAが作られる転写反応で、転写が途中で誤って停止するために異常メッセンジャーRNAが作られています。このような異常メッセンジャーのうち、最終エキソンが3’側のイントロンまで伸長したタイプを3XTと名付けました。
• 3XTの発生を監視して除去するために、核内RNA分解を制御するMTR4タンパク質とRNAに結合するhnRNPKタンパク質が協力していることを発見し、3XTを除去できないと3XTから異常な病的タンパク質が生産され、この病的タンパク質が細胞内に病的構造物を作ることを見いだしました。すなわち、病的構造体形成を阻害するRNA品質管理機構が細胞核内に存在していることを明らかにしました。
• 本成果は、RNA品質管理機構を標的とした薬剤の開発や疾患の治療法の発展に貢献すると期待されます。

概要

東京大学アイソトープ総合センターの秋光信佳教授、谷上賢瑞特任准教授、早稲田大学理工学術院の浜田道昭教授、曽超研究院講師、東京大学大学院新領域創成科学研究科の鈴木穣教授、関真秀特任准教授らによる研究グループは、RNAヘリカーゼMTR4（注1）がRNA結合タンパク質hnRNPK（注2）と協調し、転写反応中に起きるRNAプロセシング（注3）の制御異常で生じる異常RNA群（3XT,注4)を分解していることを明らかにしました。また、KCTD13 遺伝子座から発現するKCTD13 3XTの翻訳産物が、相分離（注5）制御を介して異常な構造体KeXT body（注6）を形成していることを見出しました(図1)。

本研究では、ナノポアシークエンサー（注7）を用いたdirect RNA sequencing技術（注8）を用いることで3XTの発見に繋がりました。異常RNAを分解することで、異常RNA翻訳産物の異常構造体形成を阻害するRNA品質管理機構が存在していることが明らかになり、この研究成果は様々な疾患の診断/治療法開発の重要な基盤となることが期待されます。

発表内容

RNAプロセシングは、キャップ構造の付加、スプライシング、ポリA付加など複数のプロセスによって、転写されたRNAを成熟したmRNAに変換する過程です。これらの制御異常は、異常タンパク質の産生に繋がり、がんや神経疾患など、多くの疾患に関与することが知られています。一方、細胞にはRNAが転写されて成熟mRNAに変化するまでを管理する仕組み（Surveillance system）が存在しており、異常RNAを識別して、適切に分解・排除しています。核内RNA分解機構は、RNA分解を担当するRNAエキソソーム複合体（注9）とRNA識別を担うRNAヘリカーゼMTR4によって形成されており、主に転写直後の単独エキソン転写産物を分解することが知られていました。しかし、RNAプロセシングの制御異常によって生じた複数のエキソンを持つ異常RNAの分解機構は明らかになっていませんでした。

本研究グループはまず、RNAプロセシングの破綻によって生じる異常RNAの分解機構に着目し、従来のRNAシークエンスに加え、RNA全長構造を可視化するdirect RNAシークエンスとポリアデニル化部位を検出する3’末端シークエンス（注10）を実施しました。結果、ポリアデニル化の脱制御により転写が途中で終結し、最終エキソンが3’側のイントロンまで伸長した異常RNAである3XTをMTR4が分解していることを見出しました。

続いて本研究グループは、単独エキソンであるmono-exon 3XTと、スプライシング制御を受け複数のエキソンを持つmulti-exon 3XTに3XTを分類(図2)し、分解機構が明らかになっていないmulti-exon 3XTに着目して研究を進めました。multi-exon 3XTの伸長領域(3XR: 3’ eXtended Region, 図2)に対してモチーフ解析を行ったところ、hnRNPKが当該3XRsに結合している可能性を見出しました。そこでhnRNPKの発現を抑制すると、multi-exon 3XTsの発現が増加することを発見しました。本研究グループはさらに研究を進め、hnRNPKはmulti-exon 3XTの3XRに結合し、RNAエキソソーム-MTR4複合体を当該3XTにリクルートすることで、multi-exon 3XTを分解する仕組みを見出しました。

最後に、MTR4によって制御される3XTsから生成される異常な翻訳産物が異常構造体を形成するのかを調べました。まず構造体形成予測を行い、KCTD13遺伝子座から発現するKCTD13 3XT由来タンパク質が、相分離を起こす可能性を有するペプチド配列を有しており、構造体を形成する可能性を見出しました。そこで、KCTD13 3XTタンパク質に対する抗体を作成し、MTR4を発現抑制したヒト子宮頸がん細胞株HeLa細胞における局在を確認したところ、KCTD13 3XTタンパク質が相分離制御を介して異常な病的構造体KeXT bodyを形成することを見出しました。

これらの結果から、RNAプロセシング異常を有する異常RNAを分解することで、異常RNAから翻訳されたタンパク質による病的構造体の形成を阻害するRNA品質管理機構が存在していることが明らかとなりました。これはRNA品質管理機構の破綻による病的構造体形成が様々な疾患を引き起こす可能性を示唆しており、様々な疾患に対するRNA品質管理機構を標的にした治療法の発展に寄与することが期待されます。

発表者・研究者等情報

東京大学
アイソトープ総合センター
秋光　信佳　教授
谷上　賢瑞　特任准教授
Han　 Han 　研究当時：博士課程

大学院新領域創成科学研究科
鈴木　穣　　教授
関　　真秀　特任准教授

早稲田大学
理工学術院
浜田　道昭　教授
曽 　 超　　次席研究員 (研究院講師)

論文情報

雑誌名：Nature Communications
題　名：The MTR4/hnRNPK complex surveils aberrant polyadenylated RNAs with multiple exons
著者名：Kenzui Taniue*, Anzu Sugawara, Chao Zeng, Han Han, Xinyue Gao, Yuki Shimoura, Atsuko Nakanishi Ozeki, Rena Onoguchi-Mizutani, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Michiaki Hamada, Nobuyoshi Akimitsu*
DOI: 10.1038/s41467-024-51981-8
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-024-51981-8

用語解説

(注1) MTR4
RNAヘリカーゼMTR4（MTREX）は、核内に局在し、RNAエキソソームのアクセサリータンパク質として機能する。RNA結合タンパク質と結合して様々な複合体を形成し、それぞれ特定の標的RNA群を識別する。また、MTR4はスプライシング機構にも関与することが知られており、多機能タンパク質として様々な局面で機能することが知られている。

(注2) hnRNPK
hnRNPKは、核に局在するDNA/RNA結合タンパク質であり、様々な生物学的プロセスを制御する。hRNPKの発現異常は、癌などの疾患の発症に関与する。hnRNPKは、RNAや一本鎖DNAを認識する3つのKHドメイン、核局在化シグナル、核シャトリングドメインを有しており、転写、mRNAスプライシング、RNAの輸送、翻訳などに関与することが知られているが、hnRNPKが核内RNA分解に関与していることは報告されていない。

(注3) RNAプロセシング
RNAプロセシングとは、細胞内で合成されたRNA分子が機能的な成熟RNAに変換される過程のこと。RNA ポリメラーゼ Ⅱによる転写反応で前駆体 mRNA（pre-mRNA）が合成されると、5’末端キャッピング，スプライシング，3’末端プロセシングなど様々なプロセシング反応により成熟 mRNA となる。また、選択的RNAスプライシングや選択的ポリA付加によって、遺伝子特異的かつ細胞型特異的にRNAアイソフォームを生成される。選択的RNAスプライシングや選択的ポリA付加は、タンパク質多様性の獲得に寄与し、多様な生理的条件下で細胞プロセスを制御する上で重要な役割を果たしている。

(注4) 3XT (3’ eXtended Transcript)
ポリアデニル化の脱制御により転写が途中で終結し、最終エキソンが3’側のイントロンまで伸長した異常RNAのこと。3XTは本研究グループが発見し、第1エキソンが伸長した3XTをmono-exon 3XT、2つ目以降のエキソンが伸長した3XTをmulti-exon 3XTと命名した。従来のエキソンからイントロンまで伸長した領域を3XR (3’ eXtended Region)と命名した。図2参照。

(注5) 相分離
相分離は、生物学において重要なプロセスであり、特定の条件下で細胞内の分子が自発的に分離し、異なる相（phase）を形成する現象を指す。このプロセスによって細胞内の特定の区域に分子が集中し、高次構造体やゲルのような凝集体を形成することで、効率的な生化学反応や転写や翻訳などの調節機構を効果的に実行することが可能となる。近年、相分離が多くの生物学的過程において重要な役割を果たしていることが示されており、相分離の異常によってがんや神経変性疾患の発症に繋がる可能性が示唆されている。

(注6) KeXT body (KCTD13 3eXtended Transcript-derived protein body)
KCTD13遺伝子座から発現するKCTD13 3XTの翻訳産物が形成する異常構造体のこと。KeXT bodyは主に細胞質で構成されるが、その構成因子や機能についてはまだ不明である。

(注7) ナノポアシークエンサー
細胞膜に存在するタンパク質を用いたナノスケールの孔（ナノポア）を使って、DNAやRNAの塩基配列を直接読み取る技術を用いたシークエンサーのこと。ナノポアシークエンサーは、他のシーケンシング技術と比べて非常に長いリード（数万塩基に及ぶことも可能）を読み取ることができ、複雑なゲノム領域や構造変異、RNAの全長構造の解析などの解析が可能になる。また、DNAだけでなく、RNAも直接シークエンスできるため、転写後修飾の研究にも利用されている。

(注8) direct RNA sequencing技術
ナノポアシークエンシング技術によるRNA分子を直接シークエンスする技術のこと。RNA分子がナノポアを通過する際に、各塩基（A、U、C、G）の違いによって生じる電流の変化をリアルタイムで検出し、電流の変化パターンを解析することで、RNAの塩基配列が決定する。cDNA合成やPCR増幅などのステップを経ずに、RNAを直接シークエンスすることで、PCRバイアスや逆転写エラーを回避することが出来る。

(注9) RNAエキソソーム複合体
RNAエキソソーム複合体は、真核細胞の核内でRNAの分解やプロセシングに重要な役割を果たすタンパク質複合体のこと。RNAエキソソームは、9つのタンパク質(EXOSC1 – EXOSC9)から構成されるRNA分解活性を持たないエキソソームバレルとRNA分解活性を有するDIS3やEXOSC10から成る。多くのRNA分子を対象とし、主に不必要なRNAや異常なRNAの分解を行う。RNAエキソソーム複合体の制御異常は、がんや神経変性疾患の様々な疾患と関連することが知られている。

(注10) 3’末端シークエンス
3’末端シークエンスは、RNA分子の3’末端に付随するポリ(A)テールを利用して、遺伝子の転写物の末端部分を標識し、3’末端部分をシークエンスする技術。主に、遺伝子発現解析や3’UTRアイソフォームの存在量を測定するために用いられる。通常の全長RNA-seqと比較して、解析に必要なリード数が少なくて済むため、低コストでの発現解析が可能である。また、RNA量が少なくても高感度かつ高精度に発現解析を行うことができるので、遺伝子発現解析、ポリAテール解析、RNA安定性解析に加え、シングルセル解析などにも応用されている。

研究支援

本研究は、科研費「自然免疫応答を制御する長鎖非コードRNAに関する研究（課題番号：17KK0163）」、「リピート要素のde novo発見に基づく長鎖ノンコーディングRNAの機能の解明（課題番号：20H00624）」、「核内RNAボディによるクロマチン制御と熱ストレス応答（課題番号：21H00243）」、「ヒト細胞における新しい物理化学的ストレス感知・応答機構の解明と癌治療への応用（課題番号：21H04792）」、「lncRNA-RBP複合体によるユビキチン-プロテアソーム制御機構（課題番号：21H02758）」、「RNA品質管理機構によるイントロン-エクソン化RNA生成と癌維持機構への関与(課題番号：21K19402)」、「膵癌オルガノイドを用いた構造異常RNAの探索と機能解析（課題番号：22KK0285）」、「先進ゲノム解析研究推進プラットフォーム（課題番号：22H04925）」、「Identification of repetitive elements involving genome regulation（課題番号：22K15093）」、「RNAを中心とした分子ネットワークに基づく生物学的相分離の俯瞰的・体系的理解（課題番号：23H00509）」、「生殖ライフスパンにおける RNAキネティクス計測（課題番号：23H04955）」、AMED「機能解析に基づく RNA 標的創薬のための統合 DB と AI システムの構築（課題番号：JP21ae0121049）」、上原記念生命科学財団、武田科学振興財団、小林財団、MSD生命科学財団、内藤記念科学振興財団、小野医学研究財団、ノバルティス科学振興財団の支援により実施されました。

卓越大学院プログラム『パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム』は、
電力・エネルギー新産業創出に寄与する人材を輩出することを目的とした修士・博士後期5年一貫の博士人材育成プログラムです。

この度、本プログラムの2025年(8期生)進入/編入募集説明会を以下のように開催致します。
当日は、プログラム説明後に現役PEP生２名（電力系・エネルギーマテリアル系代表）も参加して、
皆さんの質問にお答えします。
お気軽にお申込みください！

＜日時＞
2024年11月28日（木）12:30～13:10
形式：Zoomオンラインミーティング（途中入退室可）
※申請フォームから参加登録いただいた方にURL等詳細を、前日までにメールでお送り致します

＜申請フォーム＞
PEPプログラムに少しでも関心のある方はお気軽に、以下URLよりお申込みください。
https://x.gd/5DO7k8
申込締切：11月27日（水）10:00まで

＜ポスター＞
https://waseda.box.com/s/u4o7jjpdcq7clh24ssy2zn56s6hpjkx4

＜概要＞
対象：現在、電力系・エネルギーマテリアル系を専攻分野としている
（あるいは現在それらの分野・専攻に関心がある）以下の学生、社会人
・学部3年生、4年生
・修士課程・一貫制博士課程1年生、2年生
・2025年4月に以下の参画専攻博士後期課程入学予定者

＜参画専攻＞
・基幹理工学研究科（機械科学・航空宇宙専攻、電子物理システム学専攻）
・創造理工学研究科（地球・環境資源理工学専攻）
・先進理工学研究科（応用化学専攻、電気・情報生命専攻、ナノ理工学専攻、先進理工学専攻）
・環境・エネルギー研究科（環境・エネルギー専攻）

＜内容＞
・PEP卓越大学院プログラム概要説明（研究指導・支援体制、カリキュラム、進路、経済的支援etc)
・2025年4月(8期生)進入/編入募集日程
・現役PEP生（２名）の体験談
・質疑応答

＜ご参考＞
PEP卓越大学院プログラムHP　https://dpt-pep.w.waseda.jp/
パンフレット　https://dpt-pep.w.waseda.jp/pamphlet/
募集要項出願書類　https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/

＜お問合せ＞
PEP卓越大学院プログラム事務局（51号館1F理工統合事務所内）
Email：[email protected]　　　TEL：03-5286-3238

卓越大学院プログラム
「パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム」
2025年1月実施の8期生(2025年4月進入・編入)選抜試験(SE)に関する情報を更新致しました。

詳細は、理工学術院HP大学院入試ページの中のPEP SE情報ページ（募集要項・出願書類）をご参照ください。

https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/

2024年9月28日（土）、第4回「日本医科大学・早稲田大学合同シンポジウム～両校の実質的連携を目指した研究交流～」を早稲田大学121号館コマツホールにおいて開催しました。

日本医科大学と本学との連携は、2009年に締結した包括協定から始まり、実質的な研究連携への合意（2020年）を経て、本学附属校・系属校との高大接続連携に関する協定（2020年）へと発展してきました。２０２１年度からは、日本医科大学で選抜された3年生を、本学の理工系研究室に3週間迎え入れて交流を図る「研究配属」も実施しています。

シンポジウム冒頭の開会挨拶で、日本医科大学学長の弦間昭彦氏は、実質的な共同研究がかなり進んできているところであり、今後は「Well-being」をキーワードとして、より一層の連携を進めていきたいと述べられました。続く早稲田大学総長の田中愛治からは、改めて2020年度以降の実質的研究連携や高大接続連携への謝辞が述べられるとともに、医療とロボット工学との連携を例に、両大学の強みを様々に組み合わせることで、社会の要請に応える成果を多く生み出すことができるとの期待が述べられました。

開会挨拶に続く第一部では、日本医科大学２名、本学２名の研究者が両校の共同研究実績も含めた研究紹介を行いました。

• 村上 善則（日本医科大学　先端医学研究所　分子生物学部門 特命教授）
  「多層的生体情報の統合による新規疾患予防法の開発」
• 酒井 哲也（早稲田大学理工学術院 教授）
  「頭部MRI画像を用いた研究の進捗少々および関連しそうな画像処理分野の話題」
• 山本 林（日本医科大学　先端医学研究所　遺伝子制御学部門 教授）
  「液滴オートファジーとエクソソーム分泌」
• 澤田 秀之（早稲田大学　理工学術院　先進理工学部　応用物理学科 教授）
  「末梢神経障害診断法の開発ならびにヒトの手の解剖学的構造を再現したBionic Fingerの開発」

第二部では、日本医科大学生が早稲田大学における研究配属の成果発表を行い、優秀研究賞１件が選ばれました。

• 岩﨑 清隆 研究室配属 3名　※優秀研究賞
• 棟近 雅彦 研究室配属 2名
• 梅津 信二郎 研究室配属  2名
• 浜田 道昭 研究室配属 1名（動画による発表）
• 岩田 浩康 研究室配属 3名

　　　　
成果発表・質疑応答の様子

閉会挨拶では、まず本学副総長の須賀晃一から、両大学の共同研究が様々に進んでいくことへの期待が語られました。さらに日本医科大学学生の研究配属についても触れ、早大創設者である大隈重信の言葉を交えながら、失敗から学ぶことが重要であるとの、学生への激励の言葉も送られました。次に、日本医科大学大学院医学研究科長の桑名正隆氏からは、すでに実質的連携が進んできているとの実感と、研究交流に限らず研究配属での学生指導や講義など、様々な機会を通して相乗的に連携を進め成果を生み出していくことへの意欲が述べられました。

今後も、日本医科大学と本学は、研究と教育との両輪で連携を推進し、社会に貢献してまいります。

光合成微生物の力でサステナブルな細胞培養を実現
-老廃物のアップサイクルで培養肉技術の課題解消への途を拓く-

発表のポイント

• 乳酸を吸収する光合成微生物シアノバクテリアを動物細胞と共培養^※1することで、相互に栄養素と老廃物を交換する培養システムを構築し、動物細胞の長期培養を実現
• 成長因子^※2を分泌する動物細胞とシアノバクテリアを共培養した時に得られる培養上清液^※3は、動物細胞を単独で培養した時に得られる上清液よりも3倍以上骨格筋芽細胞の増殖を促進
• 本培養上清液を用いることで培養肉^※4生産の課題となっている動物血清の使用を削減できることを確認。今後、培養肉生産だけでなく、精密発酵やバイオ医薬生産に応用することで、食料・医薬品の生産コストの削減および環境負荷低減に貢献の可能性

早稲田大学理工学術院の朝日透（あさひとおる）教授、同大大学院先進理工学研究科（一貫制博士課程）の秋尚雅（チュサンア）、および東京女子医科大学先端生命医科学研究所の清水達也（しみずたつや）教授、原口裕次（はらぐちゆうじ）特任准教授の研究グループは、神戸大学先端バイオ工学研究センターの蓮沼誠久（はすぬまともひさ）教授の研究グループと共同で、自浄作用および栄養循環を果たす食料生産システムを構築するため、光合成微生物を利用した新しい細胞培養システムを開発しました。

近年、持続可能な食肉生産技術として培養肉が注目されていますが、動物血清の使用や老廃物の蓄積および栄養枯渇により、多量の培養液使用とその廃液の発生が課題となっています。本研究では、動物細胞の代謝老廃物（乳酸・アンモニア）を栄養源（ピルビン酸・アミノ酸）に変換する光合成微生物のシアノバクテリアを成長因子分泌動物細胞と共培養することにより、動物血清を使用せず、さらに培養液の使用量を削減する低コストで低環境負荷の培養肉生産につながる細胞培養システムを実現しました。

本研究成果は、2024 年8月23日にネイチャー・パブリッシング・グループのオンライン総合科学誌『Scientific Reports』に発表されました。
論文名：A serum-free culture medium production system by co-culture combining growth factor-secreting cells and L-lactate-assimilating cyanobacteria for sustainable cultured meat production

キーワード

培養肉、光合成、共培養、シアノバクテリア、成長因子、細胞増殖、培養システム、乳酸

これまでの研究で分かっていたこと

培養肉は、2012年にオランダ・マーストリヒト大学のMark Post教授によって初めて提唱され、大豆ミートや昆虫タンパクと並ぶ代替タンパク質の一種として、世界中で研究・開発が進められています。現在では、174社以上の培養肉ベンチャーが立ち上がり、特にアメリカやシンガポールでは市場化が進んでいます。これに伴い、世界中の投資家や企業からの関心が高まり、培養肉分野には31億ドル規模の投資が行われ、今後さらなる拡大が期待されています。（参考文献1）

従来の培養肉生産において、動物筋肉細胞の増殖のために動物血清が不可欠でしたが、そのコストや動物倫理に対する懸念が問題視されていました。そのため、血清を使わず、動物筋肉細胞を増殖できる培養方法が求められています。血清には細胞の成長因子といったタンパク質が含まれ、これらは特定の動物細胞から分泌されていることがわかっています。先行研究（参考文献2）において、ラット肝臓細胞が分泌する成長因子を含む培養上清液が、血清を使わずに牛骨格筋芽細胞の増殖を促進することを発見しました。成長因子分泌細胞を長期間培養すれば多量の成長因子が得られる一方で、乳酸やアンモニアなどの老廃物が蓄積することで培養液の性能が低下する問題があります。そのため、成長因子分泌細胞の培養上清液の血清代替としての性能を高めるためには、老廃物の除去が不可欠となります。さらに長期間の培養は栄養素の枯渇をもたらします。先行研究（参考文献３）では、乳酸を取り込みピルビン酸に変換するリコンビナント^※5シアノバクテリアを開発しました。

そこで、本研究グループでは、成長因子を分泌する細胞と乳酸などの老廃物を取り込み、かつ老廃物を栄養素に変換するシアノバクテリアを共培養する新たな培養システムを考案しました。それにより、動物血清を用いることなく効率的な筋肉細胞の増殖が実現するのではないかと考えました。

今回新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、そのために新しく開発した手法

シアノバクテリアの一種であるシネココッカスは、光合成能力が高く、遺伝子組換え操作も容易で、さらに動物細胞に対して優れた生体適合性を持つことから、さまざまな分野で利用されています。本研究で使用したL-乳酸を取り込むシアノバクテリアも、シネココッカスのリコンビナント株であり、動物細胞の老廃物である乳酸とアンモニアを動物細胞の栄養素となるピルビン酸とアミノ酸に変換する能力は、先行研究（参考文献2）で確認されていました。しかし、動物細胞と共培養を行った時にも、この機能が発揮されるかは未知のままでした。

本研究で、このシアノバクテリアと成長因子を分泌するラット肝臓細胞を共培養すると、培養条件を最適化することで、シアノバクテリアが乳酸を3割以上、アンモニアを9割以上減少させることを確認しました。さらに、シアノバクテリアによって産生されたピルビン酸やアミノ酸は、動物細胞によって利用される量よりも多く、結果として培養上清液中に栄養源が多く残存していることが明らかになりました。この上清液を用い、血清を使わずに骨格筋芽細胞を増殖させたところ、その増殖率はラット肝臓細胞の単独培養上清液と比較して3倍以上であることを確認しました。すなわち、シアノバクテリアとの共培養を行うことで、成長因子分泌細胞の培養上清液の血清代替としての性能を高めることに成功しました。

研究の波及効果や社会的影響

この研究は、動物血清を使用せず、また培養液の使用量を低減可能な動物細胞培養法につながることから、培養肉生産のコスト削減と環境負荷の低減に寄与する可能性があります。動物細胞と光合成微生物を原料とし、動物を使用しない食肉生産技術として、将来的に食料問題や動物倫理、気候変動の課題解決に貢献することが期待されます。また、この細胞培養システムは、培養肉だけでなく、バイオ医薬品生産や再生医療など、さまざまな細胞培養分野にも適用可能な汎用性を持っています。

今後の課題

今後の課題としては、大量生産に向けて現在の平面培養システムを3次元培養システムにスケールアップし、それに応じた最適な培養条件を探索することが挙げられます。また、培養液の成分を網羅的に解析し、光合成微生物と動物細胞間の相互作用を解明することで、分子生物学的な知見を広げる研究にもつながります。

研究者のコメント

本研究の最終目標は、このシステムを活用した安全で安価な培養肉の生産です。今回得られた研究成果を基盤に、動物だけでなく魚類などさまざまな筋肉細胞から効率的に培養肉を作り出す技術の確立を目指しています。今後も、3次元培養システムの開発や最適な培養条件の探求を通じて、実用化に向けたステップを踏んでいく予定です。

用語解説・参考文献

※1　共培養
2種類以上の細胞を同じ培養液で一緒に培養することを指します。これにより、細胞間の相互作用が起こり、情報伝達物質や生理活性物質の分泌が向上する効果が期待されます。

※2　成長因子
細胞の増殖や分化を促進するタンパク質やペプチドのことです。成長因子は、細胞の情報伝達を刺激し、さまざまな生理的プロセスを制御します。

※3　培養上清液
細胞を培養した後の培養液を指します。この上清液には、細胞が分泌した成長因子やその他の分子（老廃物なども）が含まれ、細胞培養において正負両面（細胞の生存と増殖、細胞死・増殖停止の両側）にわたり重要な役割を果たします。

※4　培養肉
動物から採取した細胞を培養して、組織工学の技術を用いて作られる人工肉のことです。動物を直接屠殺することなく生産されるため、環境負荷や動物倫理に配慮した技術として注目されています。

※5　リコンビナント
遺伝子組換え技術を利用して作られた生物や物質を指します。特定の目的に応じて遺伝子操作を行い、新たな形質を持たせた微生物やタンパク質が「リコンビナント」として利用されます。

参考文献：

1. Good Food Institute. (2024). 2023 State of the Industry Report: Cultivated meat and seafood. Good Food Institute. Retrieved 26, 2024, from: https://gfi.org/wp-content/uploads/2024/04/2023-State-of-the-Industry-Report-Cultivated-meat-and-seafood.pdf
2. Yamanaka, K., Haraguchi, Y., Takahashi, H., Kawashima, I., & Shimizu, T. (2023). Development of serum-free and grain-derived-nutrient-free medium using microalga-derived nutrients and mammalian cell-secreted growth factors for sustainable cultured meat production. Scientific Reports, 13(1), 498.
3. Haraguchi, Y., Kato, Y., Inabe, K., Kondo, A., Hasunuma, T., & Shimizu, T. (2023). Circular cell culture for sustainable food production using recombinant lactate-assimilating cyanobacteria that supplies pyruvate and amino acids. Archives of Microbiology, 205(7), 266.

論文情報

雑誌名：Scientific reports
論文名：A serum-free culture medium production system by co-culture combining growth factor-secreting cells and L-lactate-assimilating cyanobacteria for sustainable cultured meat production
執筆者名：秋尚雅（早稲田大学）、原口裕次 (東京女子医科大学)、朝日透（早稲田大学）、加藤裕一（神戸大学）、近藤昭彦（神戸大学）、蓮沼誠久（神戸大学）、清水達也*（東京女子医科大学）
掲載日時（日本時間）：2024年8月23日
掲載URL：https://www.nature.com/articles/s41598-024-70377-8
DOI： https://doi.org/10.1038/s41598-024-70377-8

研究助成

研究費名：内閣府ムーンショット型農林水産研究開発事業（管理法人：生物系特定産業技術研究支援センター）
研究課題名： 藻類と動物細胞を用いたサーキュラーセルカルチャーによるバイオエコノミカルな培養食料生産システム
研究代表者名（所属機関名）：清水達也（東京女子医科大学）

ヒト常在菌の個別解析、新時代へ
３万個の細菌ゲノム解読、抗生物質耐性遺伝子を追跡

発表のポイント

• がん・炎症性腸疾患などの患者と健常者を含む日本人被検者51名から、世界最大規模３万個のヒト常在菌^※1のシングルセルゲノム解析^※2を実施。
• 7万個の口腔内細菌・腸内細菌の高精度ゲノム情報を含むデータセットbbsag20を公開。
• 従来の手法(メタゲノム解析^※3)では見落とされていた300種以上の腸内細菌のゲノムを取得。
• 遺伝子の「運び屋」可動性遺伝因子^※4を介した抗生物質耐性遺伝子^※5の広がりを個々の細菌レベルで解明。
• 細菌の抗生物質耐性の広がり方をより深く理解する手がかりを提供し、将来的な医療や公衆衛生への応用に期待。

私たちの健康に重要な役割を果たすヒト常在菌。しかし、その全容解明には個々の細菌を詳しく調べる必要があり、これまでの技術では困難でした。早稲田大学理工学術院の細川正人（ほそかわまさひと）准教授と早稲田大学発スタートアップbitBiome社の研究グループは、革新的なシングルセルゲノム解析技術を用いて、この課題に挑戦し、世界最大規模の3万個の口腔内細菌および腸内細菌の個別ゲノム解析を行いました。構築したbbsag20データセットからは、従来法では見落とされていた数百種の細菌のゲノム・遺伝子が発見されました。また、抗生物質耐性遺伝子やその「運び屋」の存在が個々の細菌単位で明らかになり、細菌間での遺伝子のやり取りを詳細に調査することが可能になりました。この成果は、常在菌を対象とした個別化医療や新たな抗生物質耐性対策の開発に貢献する可能性があります。

本研究成果は、2024年10月2日（水）（現地時間）にSpringer NatureグループのBioMed Central社が発刊するオープンアクセス科学誌「Microbiome」で公開されました。
論文名：A Single Amplified Genome Catalog Reveals the Dynamics of Mobilome and Resistome in the Human Microbiome

キーワード

ヒト常在菌、シングルセルゲノム解析、腸内細菌、口腔内細菌、抗生物質耐性、個別化医療、可動性遺伝因子、プラスミド、ファージ

これまでの研究で分かっていたこと

ヒト常在菌は人間の健康に重要な役割を果たしています。これまでの研究で、以下のことが分かっていました：

1. 口腔内や腸内には多数の細菌が存在し、複雑な生態系を形成しています。
2. ヒト常在菌の構成は個人によって異なり、健康状態や疾病と関連があります。
3. メタゲノム解析は、常在菌の全体的な構成を調べることができます。
4. 抗生物質の使用が常在菌叢に影響を与え、薬剤耐性菌の出現につながる可能性があります。

しかし、これまで常在菌研究に使われてきたメタゲノム解析では全ての細菌をひとまとまりにDNAを分析するため、個々の細菌が持つ遺伝子の構成などを詳細に調べることが困難でした。そのため、可動性遺伝因子を介した細菌間での遺伝子のやり取りや、それによる抗生物質耐性の細菌種を超えた広がり方など、重要な詳細が不明のままでした。

今回新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、そのために新しく開発した手法

本研究では、革新的なシングルセルゲノム解析技術を用いて、がん・炎症性腸疾患などの患者と健常者からなる日本人51名の被験者を対象に、ヒト常在菌の個別解析を大規模に行いました。主な成果は以下の通りです：

1. 世界最大規模のシングルセルゲノムデータセットの構築
   ３万個の口腔内・腸内細菌の個別ゲノム解析を実施し、高品質なゲノム情報を整理して公開しました。
2. 従来の手法と組み合わせて常在菌叢を解明
   シングルセルゲノム解析では従来のメタゲノム解析では得られなかった種が多数獲得されました。両者の解析法を組み合わせることが常在菌叢の解明に効果的であることが分かりました。
3. 抗生物質耐性遺伝子の伝播状況の解明
   個々の細菌レベルで抗生物質耐性遺伝子の分布を解析しました。プラスミド^※6やファージ^※7といった可動性遺伝因子が伝播を担っている可能性を調査しました。

これらの成果を可能にしたのは、SAG-gel技術^※8と呼ばれる新しいシングルセルゲノム解析手法です。SAG-gelは責任著者の細川が2018年に創業した早稲田大学発スタートアップであるbitBiome社にてbit-MAP®として商用化されており、現在、国内外の微生物研究者に広く利用されています。

この技術の特徴は以下の通りです：

• 個々の細菌をゲル中に封入し、個別にゲノムを増幅・解析します。
• 高い精度で多数の細菌ゲノムを同時に分析できます。
• 従来の手法では困難だった、希少な細菌種の検出も可能です。

同一の試料を解析した場合、シングルセルゲノム解析とメタゲノム解析では、異なる細菌種のゲノムが獲得されます。シングルセルゲノム解析では460種、メタゲノム解析では327種のゲノムが得られ、両解析で共通するのは140種に留まります。細胞から分析を始めるシングルセルゲノム解析と、壊れた細胞から抽出したDNAから分析を始めるメタゲノム解析では、得られるデータの性質が異なることが示されています。

メタゲノム解析では、プラスミド・ファージなどの可動性遺伝子を各細菌ゲノムと紐づけて分析することが難しく、殆どが見落とされてしまいます。そのため、これらの可動性遺伝子にコードされる抗生物質耐性遺伝子がどれだけ存在するか、どの細菌が保有しているのかを知ることができません。一方、シングルセルゲノム解析では、各種抗生物質耐性遺伝子がどのプラスミド・ファージにコードされ、どの細菌種に保持されているのか、保有状況とネットワーク関係を明らかにすることができます。

この研究により、シングルセルゲノム解析が口腔内・腸内細菌叢の遺伝的多様性を理解することに役立つことが示されました。特に、プラスミドやファージなどの可動性遺伝因子を介した抗生物質耐性遺伝子の広がり方について、個人単位・細菌単位で把握することができる点が画期的であり、常在菌間における遺伝子のやり取りの理解につながることが期待されます。

本研究で解析したゲノムデータセットbbsag20は、CC-BY 4.0で誰でもダウンロードおよび利用することが可能です。
https://doi.org/10.25452/figshare.plus.24473008.v2

研究の波及効果や社会的影響

本研究の成果は、以下のような波及効果や社会的影響をもたらす可能性があります：

1. 個別化医療の進展
   個人のヒト常在菌叢を詳細に分析することで、特定の疾患と関連する細菌種の特定が容易になり、新たな治療ターゲットの発見に寄与します。

2. 抗生物質耐性対策の向上
   耐性遺伝子のプロファイルを詳細に把握し、より効果的な耐性菌対策の開発が可能になります。
   新たな抗生物質の開発や、既存薬の適切な使用法の確立に貢献します。

3. 環境マイクロバイオーム研究への応用
   本技術は環境サンプルにも適用可能で、生態系の理解や環境保全に貢献します。土壌や水中の微生物群集の解析にも応用でき、農業や水質管理にも影響を与える可能性があります。

これらの効果により、医療費の削減や国民の健康増進、さらには環境保全など、幅広い社会的影響が期待されます。

今後の課題

今後の課題として、より多様なサンプルを用いたさらなるデータ収集が求められます。特に異なる地域や人種からのサンプルを追加することで、常在菌の世界的な多様性をより深く理解することが期待されます。また、長期的な観察を通じて、細菌叢の変化や疾患との関連を明らかにすることで、個別化医療の新たな道が開かれるでしょう。

具体的な展望：

1. 疾患メカニズムの解明
   様々な疾患と口腔内・腸内細菌の関係がより詳細に明らかになることが期待されます。

2. 抗生物質耐性のサーベイランス
   抗生物質耐性菌の特定や、抗生物質耐性遺伝子の運び手を特定し、耐性菌の発生や感染症の蔓延を予防することが期待されます。

3. 環境マイクロバイオーム研究の発展
   人間の健康と環境の関連性がより明確になることが期待されます。

これらの課題に取り組むことで、マイクロバイオーム研究はさらに発展し、人類の健康と環境の理解に大きく貢献することが期待されます。

研究者のコメント

今回の研究成果は、ヒト常在菌の世界に新たな光を当てるものです。３万個もの細菌ゲノムを個別に解読したことで、これまで見えなかった微生物の多様性と相互作用が明らかになりました。独自技術であるシングルセルゲノム解析を活用することで、これまで見落とされてきた数多くの重要な情報を手にすることができることが証明されました。この知見は、個別化医療や抗生物質耐性問題など、現代社会が直面する健康課題の解決に大きく貢献すると確信しています。今後も研究を重ね、シングルセルゲノム解析がより多くの研究に活用される未来を創り、様々な生命現象の理解と活用に貢献したいと思います。

用語解説・参考文献

※１ ヒト常在菌：
人体に常時生息している微生物の総称です。皮膚、口腔、腸管、膣などの様々な部位に存在し、それぞれの環境に適応した細菌群が形成されています。これらの細菌は単に存在するだけでなく、人体の健康維持に重要な役割を果たしています。例えば、病原菌の侵入を防いだり、栄養素の吸収を助けたり、免疫系の発達を促したりします。

※２ シングルセルゲノム解析：
個々の細胞から遺伝情報（ゲノム）を読み取る最先端の技術です。従来の手法では、多数の細菌が混ざった状態でしか分析できませんでしたが、この技術により個別の細菌の詳細な遺伝情報を得ることが可能になりました。これにより、稀少な細菌種の発見や、細菌間での遺伝子のやりとりの詳細な観察が実現し、マイクロバイオームの理解が大きく進展しています。

※３ メタゲノム解析：
環境中（例えば腸内）の全ての微生物のゲノムを一括して解析する手法です。サンプル中の全DNAを抽出し、それを一度に解読します。個々の細菌を区別することは難しいですが、その環境に存在する微生物の種類や、それらが持つ遺伝子の全体像を効率的に把握することができます。腸内細菌叢の全体的な構成を知るのに適していますが、稀少な種の検出や細菌間の相互作用の理解には限界があります。

※４ 可動性遺伝因子：
細菌間で移動可能な遺伝物質のことです。主にプラスミドやファージなどがあります。これらは細菌の主要な遺伝情報（染色体DNA）とは別に存在し、細菌間で容易に移動することができます。抗生物質耐性遺伝子などの重要な遺伝情報を運ぶ「運び屋」の役割を果たすため、細菌の進化や薬剤耐性の拡散において重要な役割を果たしています。

※５抗生物質耐性遺伝子：
細菌が抗生物質の効果を無効化するために持つ遺伝子のことです。これらの遺伝子により、細菌は抗生物質の存在下でも生存・増殖が可能になります。抗生物質の過剰使用などにより、これらの遺伝子を持つ細菌（薬剤耐性菌）が増加し、深刻な医療問題となっています。本研究では、これらの遺伝子がどのように細菌間で広がっているかを、個々の細菌レベルで初めて詳細に解析することに成功しました。

※６ プラスミド：
細菌の染色体DNAとは別に存在する小さな環状のDNA分子です。プラスミドは自己複製能力を持ち、細菌間で容易に伝達されることがあります。多くの場合、抗生物質耐性遺伝子や毒素遺伝子など、細菌の生存に有利な遺伝子を運びます。本研究では、プラスミドを介した抗生物質耐性遺伝子の伝播を個々の細菌レベルで観察することに成功し、耐性遺伝子がどのように広がっているかをより詳細に理解することができました。

※７ ファージ：
細菌に感染するウイルスの一種で、バクテリオファージとも呼ばれます。ファージは細菌に感染する際に、時として細菌のDNAの一部を別の細菌に運ぶ「運び屋」となることがあります。このプロセスを介して、抗生物質耐性遺伝子などの重要な遺伝情報が細菌間で伝達されることがあります。本研究では、ファージを介した遺伝子伝達の実態を、個々の細菌レベルで観察することができました。

※８ SAG-gel・bit-MAP：
本研究で用いられた新しいシングルセルゲノム解析手法です。SAGはSingle Amplified Genome（単一増幅ゲノム）の略です。この技術では、個々の細菌をゲル中に封入し、その中で細菌のDNAを増幅・解析します。これにより、高い精度で多数の細菌を同時に分析することが可能になりました。従来の手法では困難だった希少な細菌種の検出や、個々の細菌が持つ遺伝子の詳細な分析が実現し、マイクロバイオーム研究に革新をもたらしています。

論文情報

雑誌名：Microbiome
論文名：A Single Amplified Genome Catalog Reveals the Dynamics of Mobilome and Resistome in the Human Microbiome
執筆者名：Tetsuro Kawano-Sugaya^1† , Koji Arikawa^1,2†, Tatsuya Saeki¹, Taruho Endoh¹, Kazuma Kamata¹, Ayumi Matsuhashi¹ and Masahito Hosokawa^1,2,3,4,5*

1. bitBiome株式会社
2. 早稲田大学 先進理工学研究科
3. 産総研・早大 生体システムビッグデータ解析オープンイノベーションラボラトリ
4. 早稲田大学 ナノライフ創新研究機構
5. 早稲田大学 先進生命動態研究所

掲載日時（現地時間）：2024年10月2日
DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-024-01903-z

研究助成

研究費名：（公財）東京都中小企業振興公社　新製品・新技術開発助成事業
研究課題名：AI時代に向けた疾患特有の微生物データベースの開発
研究代表者名（所属機関名）bitBiome株式会社

2024年8月30日（金）、31日（土）の2日間にわたり、シンガポールに所在する早稲田大学系属・早稲田渋谷シンガポール校を会場として「おもしろ科学実験教室 in シンガポール」を開催しました。今回はシンガポール日本人学校中学部の生徒、インターナショナルスクールの生徒、シンガポール教育省語学センター（MOELC：Ministry of Education Language Centre）で日本語を学んでいる中高生、および早稲田渋谷シンガポール校の生徒を対象として、総勢約80名の生徒が参加しました。本企画は2019年、2023年に続き、今年で3回目を迎えました（2020年～2022年は新型コロナウイルス感染症の影響で実施を見送り）。

本実験教室は、大学レベルの実験を自ら体験することを通じて科学への興味・関心を高める機会を提供するとともに、シンガポール在住の中高生に早稲田大学および早稲田渋谷シンガポール校を知っていただき、進学先候補として興味を持ってもらうこと、また早稲田渋谷シンガポール校の生徒には高大連携の一環として本学理工学部をより理解してもらうことを目的として実施しました。​

会場となった早稲田渋谷シンガポール校

実験のテーマは「DNA鑑定で食肉の種類を調べよう！ -PCR解析を用いた食品検査-」です。新型コロナウイルス感染症の流行で一躍有名になった「PCR法」を用いて、食肉種の鑑定に挑戦しました。

試料はレバー肉を使用し、ブタ・トリ・ウシの肉のいずれか、あるいは混合物としました。見た目では肉の種類がわからなくても、DNAを抽出し、PCR法によって特定のDNA断片を増幅して解析すると、肉の正体を突き止めることができます！

マイクロピペットという器具を上手に使いこなして試薬を混ぜながら、食肉からDNAを抽出したり、PCR用の溶液を調製しました。

実験指導には、早稲田理工の技術職員のほかに早稲田渋谷シンガポール校の在校生も加わりました。彼らの的確な指導のもと、参加者は楽しく実験していました。

スタッフに見守られ、細かい作業に少し緊張しながらも集中して取り組みました。

実験結果はどうだったかな…？

電気泳動という手法を用いると、PCRで増幅したDNA断片がこのようにバンドとして観察できます。バンドパターンから食肉種を判別することができました！

今回のテーマは本学の大学1年生の授業で扱う実験をアレンジしたもので、内容や工程には難しい部分もありましたが、皆真剣に取り組み、大きな失敗もなく成功裏に終えることができました。目を輝かせながら生き生きと実験していた姿や、結果が出た時の嬉しそうな笑顔が印象的でした。また、実験の合間には、学校の垣根を越えて生徒同士の交流も深めることができました。

シンガポール教育省語学センターの先生方は、「生徒たちは日本語の科学用語に触れることができ、ネイティブの高校生や大学スタッフと日本語の会話練習をすることもできて、充実した時間を過ごすことができました」とコメントされていました。

この実験教室は、本学理工センター技術部の職員や機器・装置だけではなく、本学が持つ海外拠点ネットワーク（早稲田渋谷シンガポール校）の物的・人的リソースの活用、早稲田渋谷シンガポール校在校生の協力、さらにシンガポール日本人学校、インターナショナルスクール、シンガポール教育省語学センター、理工パートナーズの支援により実現しており、多くの参加者に科学への興味関心を深める機会を提供することができました。

参加者の中から、将来、早稲田生が誕生し、やがては世界で活躍する校友（卒業生）となり、ともに科学技術や社会の発展に貢献していけることを、私たち職員一同願っています。

記念品のオリジナルDNAキーホルダーを手に記念撮影（写真は8/31午前の部）。

記念品として配布した、スタッフ手作りのDNAキーホルダー。DNAの塩基が描かれたパズルになっており、本物のDNAと同様、AとT、GとCが組み合います。

次は早稲田で会いましょう！
See you again at WASEDA!

学校法人早稲田大学・キリンホールディングス株式会社・栃木県農業総合研究センター
ビール大麦試験圃場へのバイオ炭施用による効果を検証する新たな共同研究を開始
～バイオ炭活用による農業分野での脱炭素実現の可能性を探求～

学校法人早稲田大学（理事長 田中 愛治、以下「早稲田大学」、研究代表者 理工学術院 教授 竹山 春子）は、キリンホールディングス株式会社（社長COO 南方 健志、研究代表者飲料未来研究所 所長 森木　博之)、栃木県農業総合研究センター（所長 柴田　和幸）と共同し、栃木県農業総合研究センターの大麦試験圃場において、バイオ炭^※1施用によるビール大麦の生育状況、土壌改良の効果、土壌の微生物への影響等を測定する研究を2024年10月より新たに開始します。当研究を行うことで、環境再生型農業^※2の可能性を探索しつつ、ビール大麦の土壌における生物多様性評価の一層の高度化、気候変動の緩和とともに、脱炭素社会の実現を目指します。

今回の共同研究では、栃木県農業総合研究センターがビール大麦の生育・収量への影響及び土壌の物理性・化学性の改善効果を解析します。 早稲田大学が土壌微生物の菌叢解析を行い、バイオ炭による土壌の微生物への影響と土壌改良の効果を測定します。キリンホールディングス株式会社は、祖業のビール事業を通じた強みである発酵・バイオテクノロジーの先進技術を生かし、試験計画の立案、解析データからのメカニズムの考察、および当研究全体の取りまとめを行います。　共同の取り組みでは、農地にバイオ炭を施用することによる効果を検証することに加えて、J-クレジット^※3への申請を前提にした炭素貯留量の算定も予定しています。基礎研究の位置づけで取り組みつつ、畑へのバイオ炭施用の効果を測定することで技術的知見を蓄積し、将来的にはビール大麦栽培農家におけるバイオ炭施用の普及、そして、GHG^※4排出量削減に貢献することも期待しています。

※1　農業の持つ物質循環機能を生かし、生産性との調和などに留意しつつ、土づくり等を通じて化学肥料、農薬の使用等による環境負荷の軽減に寄与
※2　燃焼しない水準に管理された酸素濃度の下、350℃超の温度で未利用バイオマスを加熱して作られ、土壌への炭素貯留効果とともに土壌の透水性を改善する効果が認められている土壌改良資材
※3　Ｊ－クレジット制度とは温室効果ガスの排出削減量や吸収量をクレジットとして国が認証する制度
※4　温室効果ガス

早稲田大学 竹山らは、独自に開発してきた、ラマン分光解析技術、微小組織打ち抜き技術、シングルセルゲノム解析技術を組み合わせることによって、従来にない解像度での土壌微生物解析技術を開発してきました。

2020年度からは、内閣府ムーンショット型農林水産研究開発事業（管理法人:生物系特定産業技術研究支援センター（生研支援センター））の研究開発プロジェクト「土壌微生物叢アトラスに基づいた環境制御による循環型協生農業プラットフォーム構築」（プロジェクトマネージャー 竹山春子）において、未来型食材の中心となるダイズを対象とし、土壌微生物の機能を最大限に発揮させた土壌を構築すること、さらには土壌の健康を新たなインデックス指標で評価することを目指し、最先端の技術を用いて植物と微生物の相互関係を解析し、有用微生物の取得やそれらのデータベース（土壌微生物叢アトラス）、土壌の生物的・化学的・物理的因子の網羅的情報のアーカイブ化を実施してきました。また、得られた多階層的ビッグデータを基にしたモデル化・シミュレーションを行い、「環境制御による循環型協生農業プラットフォーム」の構築を進めてきました。今回の共同研究は、こうした技術をビール大麦に応用展開して、循環型協生農業・脱炭素社会・気候変動緩和の実現を目指すものです。

Links

＞竹山春子教授（理工学術院）
＞大学院先進理工学研究科　竹山研究室
＞ムーンショット型農林水産研究開発事業
＞土壌微生物叢アトラスに基づいた環境制御による循環型協生農業プラットフォーム構築

レーストラックアンチスキルミオンの動作実証に成功
─　次世代の情報デバイス開拓に期待　─

概要

早稲田大学理工学術院の望月維人教授、理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター電子状態マイクロスコピー研究チームのグァン・ヤオ特別研究員、于秀珍チームリーダー、強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター（最先端研究プラットフォーム連携（TRIP）事業本部基礎量子科学研究プログラムプログラムディレクター）、創発機能磁性材料研究ユニットの軽部皓介ユニットリーダー、強相関物質研究グループの田口康二郎グループディレクター、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター（東京大学卓越教授／東京大学国際高等研究所東京カレッジ）らの共同研究グループは、細線内に制限されたナノメートルスケールのアンチスキルミオン^[1]を電流で駆動した際のダイナミクスの直接観察に成功し、アンチスキルミオンのレーストラック^[2]輸送機能を見いだしました。

本研究成果により、トポロジカル構造を用いた、動作速度が大きくてかつ電力消費が少ないデバイスの実現が現実味を帯び、次世代の情報デバイスのさらなる開拓に期待が高まります。
今回、共同研究グループの成果により、ナノスケールの細線内に閉じ込められたアンチスキルミオンを電流で精密に制御できることが実証され、この結果から、スキルミオン^[3]の反粒子であるアンチスキルミオンも次世代の高速かつ低消費電力の情報キャリアとして有望であることが明らかになりました。

本研究は、科学雑誌『Nature Communications』オンライン版（9月4日付）に掲載されました。

背景

アンチスキルミオンは、磁気スキルミオンの反粒子で、室温においても安定なトポロジカルスピンテクスチャ（位相幾何的磁気変調構造）として、磁性体（Fe_0.63Ni_0.3Pd_0.07）₃P（Fe：鉄、Ni：ニッケル、Pd：パラジウム、P：リン、以下「FNPP」という）において発見されました^注1）。スキルミオンは、渦状のトポロジカル構造であり、電流をスキルミオンに流すと、伝導電子はスキルミオンの創発磁場を受け、トポロジカルホール効果^[4]を示します。その反作用として、スキルミオンは電流により偏向され、ホール運動をします。電流を流していない状態では、スキルミオンは試料中の欠陥などによってピン止めされ、安定に存在していますが、電流を流すと動き出します。具体的には、電流が閾値（しきいち）である臨界電流密度J_Cを超えると、スキルミオンは動き始め、さらに電流が大きくなると、電流の流れる方向と一定の角度（ホール角）を成しながら動く「フローモーション（流動）」（ホール運動）へ変化することがローレンツ電子顕微鏡（Lorentz TEM）^[5]観察により明らかになっています^注2）。また、スキルミオンのトポロジカルな性質により、運動するスキルミオンは欠陥を容易に回避できるため、スキルミオンを駆動する臨界電流密度は、磁壁^[6]を駆動する臨界電流密度の10分の1の約10¹¹アンペア毎平方メートル（A/m²）程度で済むという利点があり^注3）、低消費電力な情報キャリアとして期待されています。

アンチスキルミオンは反渦構造をとっており、スキルミオンと同様にトポロジカルな性質を持つため、低電流で駆動できることが期待されていましたが、実証実験はまだ行われていませんでした。

注1）2021年1月26日プレスリリース「室温でアンチスキルミオンを示す新物質の発見」
https://www.riken.jp/press/2021/20210126_1/

注2）2021年11月24日プレスリリース「室温で単一スキルミオンの電流駆動に成功」
https://www.riken.jp/press/2021/20211124_1/

注3）2012年8月8日プレスリリース「電子スピンの渦『スキルミオン』を微小電流で駆動」
https://www.riken.jp/press/2012/20120808_2/

研究手法と成果

共同研究グループはまず、FNPPプレート（図1a、b）の長辺に平行なナノスケールのストライプ磁区^[7]を生成し、その磁区内に約200ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）のアンチスキルミオンを閉じ込めました（図1c）。その後、ナノ秒パルス電流をストライプ磁区に平行に流しました。ローレンツ電子顕微鏡で観察した結果（図1c）、このアンチスキルミオンが電流方向に平行に移動することが確認されました。つまり、アンチスキルミオンがナノストライプ磁区に閉じ込められた場合、ホール運動が完全に抑制され、電流によるトポロジカル構造体のレーストラック輸送機能が実証されました。また、この観察結果は、シミュレーション結果（図1d）とよく一致し、計算により実験結果を再現できることが確認されました。

次に、FNPPプレートの短辺に平行するナノスケールのストライプ磁区を生成し、その磁区内に約600nmの長方形状のアンチスキルミオンを閉じ込めました（図1e）。その後、最初の実験と同様のナノ秒パルス電流をストライプ磁区に直交して流しました。ローレンツ電子顕微鏡で観察した結果（図1e）、このアンチスキルミオンは電流方向に垂直で、ストライプ磁区に平行して移動することが確認されました。つまり、アンチスキルミオンの移動方向は電流の方向によらず、ナノストライプの向きに制限されることが実証されました。この観察結果は、シミュレーション結果（図1f）とも一致しました。

系統的に電流駆動によるアンチスキルミオンの運動を調べた結果、ナノストライプ磁区に流れる電流の方向がアンチスキルミオンの運動速度に大きく影響することが分かりました。具体的には、電流をストライプ磁区に平行に流す場合と比較して、垂直に流した場合、アンチスキルミオンの運動速度が最大で6倍に増加することが明らかになりました（図2）。

今後の期待

本研究では、室温条件下でナノ細線中に閉じ込められたアンチスキルミオンの電流駆動ダイナミクスを直接観察し、その運動特性を初めて明らかにしました。特に、細線に流れる電流の方向がアンチスキルミオンの運動速度に与える影響を考察した結果、ナノ細線に垂直に電流を流すことで、運動速度が最大で6倍にも増加することを実証しました。スキルミオンだけでなく、その反粒子であるアンチスキルミオンの制御・利用が可能になることは、トポロジカル構造を活用した新たな高速電子デバイスの開発に向けた大きな一歩であり、スピントロニクス^[8]分野における次世代技術の基盤を築く成果として非常に重要です。

論文情報

タイトル：Confined antiskyrmion motion driven by electric current excitations
著者名：Yao Guang, Xichao Zhang, Yizhou Liu, Licong Peng, Fehmi Sami Yasin, Kosuke Karube, Daisuke Nakamura, Naoto Nagaosa, Yasujiro Taguchi, Masahito Mochizuki, Yoshinori Tokura, Xiuzhen Yu
雑誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-52072-4

補足説明

[1] アンチスキルミオン
スキルミオン（[3]参照）とは符号が逆のトポロジカル数「+1」を持つ反渦状の磁気構造体。トポロジカル数は、トポロジカル構造の安定性を表す指標で、ここでは渦の巻き数で定義される。アンチスキルミオンの中心を通る直線上のスピン配列は、面内に45°回転するごとにらせん型（スピンの回転面が伝搬方向と垂直である配列）とサイクロイド型（スピンの回転面が伝搬方向と平行である配列）交互に入れ替わり、90°回転するごとにスピンの回転方向が反転する。

[2] レーストラック
磁区の変化で情報を記録する媒体で、データが「トラック」（細い磁性材料のワイヤー）に沿って移動する様子がレースに例えられている。

[3] スキルミオン
固体中の電子スピンが形成する渦状の磁気構造体であり、トポロジカル数「-1」を持つ。スキルミオンの中心を通る直線上のスピン配列はどこを切っても同じらせん状である。内周スピン配列と外周スピン配列は反平行であり、その間のスピン配列は少しずつ方向を変えながら、渦状に配列している。

[4] トポロジカルホール効果
スキルミオンは電子に対し巨大な仮想磁場の源として働き、電子の運動を横方向に曲げることによりホール電圧が発生するが、これをトポロジカルホール効果と呼ぶ。

[5] ローレンツ電子顕微鏡（Lorentz TEM）
電子線が磁性体を通過する際にローレンツ力によって電子軌道の方向が変化する、その方向変化を可視化することにより、試料内部の磁気構造を観察する顕微鏡。

[6] 磁壁
磁性材料（磁石や強磁性体）の内部において、隣接する磁区（ドメイン）間で磁化の向きが異なる境界領域。

[7] ストライプ磁区
磁性材料内で磁化の方向が周期的に反転している磁区構造を示す。このような磁区は、細長い（ストライプ状の）構造を持ち、交互に反転する磁区が平行に並び、一定の周期性を持つ。

[8] スピントロニクス
電子の自転（スピン）現象を利用した電子工学。次世代の省電力・不揮発性の電子素子の動作原理を提供すると期待されている。

共同研究グループ

理化学研究所　創発物性科学研究センター
電子状態マイクロスコピー研究チーム
特別研究員　　　　　　　　　　　グァン・ヤオ　　　（Guang Yao）
基礎科学特別研究員（研究当時）　ポン・リソン　　　（Peng Licong）
基礎科学特別研究員（研究当時）　ヤシン・フェミー　（Yasin Fehmi）
チームリーダー　　　　　　　　　于　秀珍　　　　　（ウ・シュウシン）

強相関理論研究グループ
基礎科学特別研究員（研究当時）　リュウ・イーヂョウ（Yizhou Liu）
（現　客員研究員）

グループディレクター　　　　　　永長直人　　　　　（ナガオサ・ナオト）
（最先端研究プラットフォーム連携（TRIP）事業本部基礎量子科学研究プログラム　プログラムディレクター）

創発機能磁性材料研究ユニット
ユニットリーダー　　　　　　　　軽部皓介　　　　　（カルベ・コウスケ）

強相関物質研究グループ
上級研究員　　　　　　　　　　　中村大輔　　　　　（ナカムラ・ダイスケ）
グループディレクター　　　　　　田口康二郎　　　　（タグチ・ヤスジロウ）

強相関物性研究グループ
グループディレクター　　　　　　十倉好紀　　　　　（トクラ・ヨシノリ）
（東京大学卓越教授／東京大学国際高等研究所東京カレッジ）

早稲田大学　理工学術院
研究院講師　　　　　　　　　　　ツァン・シーチャオ（Zhang Xichao）
教授　　　　　　　　　　　　　　望月維人　　　　　（モチヅキ・マサヒト）

研究支援

本研究は、理研 TRIP イニシアティブにより実施し、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（A）「電子顕微鏡によるトポロジカルスピン構造とそのダイナミクスの実空間観察（研究代表者：于秀珍、19H00660）」「スキルミオニクス創成に向けた基盤技術と材料の開拓（研究代表者：望月維人、20H00337）」、同学術変革領域研究（A）「スピン模型のトポロジカル相転移を検出する汎用的な機械学習手法の開発（研究代表者：望月維人、23H04522）」、同基盤研究（S）「磁性伝導体における新しい創発電磁誘導（研究代表者：十倉好紀、23H05431）」、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「Beyond Skyrmionを目指す新しいトポロジカル磁性科学の創出（研究代表者：于秀珍、JPMJCR20T1）」、早稲田大学特定課題研究助成費（2024C-153）による助成を受けて行われました。

2024 年8月19日（月）16時より、理工学術院、SHIBUYA QWS Innovation 協議会、産業競争力懇談会「フード・サステナビリティ実現に向けたwell-being代替タンパク質の開発と社会実装」プロジェクトの合同主催によるイベントを開催します。

テーマは「宇宙で生活する。宇宙と地球の日常性とは？：宇宙的日常性：宇宙での快適な暮らしと循環をデザインする」です。本イベントに興味のある方であれば誰でも参加できますので、奮ってご参加ください。

◆日時：8月19日（月）16時00分～19時30分
◆会場： SCRAMBLE HALL・CROSS PARK (SHIBUYA QWS内)
◆対象者： プロジェクトに興味のある方であれば誰でも参加できます
（高校生、大学生、大学院生、教職員、教諭、研究員、社会人 他）
◆参加費： 無料
◆モデレーター：朝日 透（早稲田大学理工学術院 教授）

・詳細はこちら
・参加申込はこちら

2024年度オープンキャンパスにおける創造理工学部・建築学科の以下の企画につきましては、実施会場が変更となります。

【学生作品展示】9:00～16:30
変更先会場：57号館地下1階スタジオ

【模擬講義「海外設計事務所での経験について」】8月4日（日）10:00～10:40
変更先会場：63号館2階03・04・05室

※8月4日（日）15:35～の学科説明会と15:50～の模擬講義「建築構造の世界」は57号館201教室で変更ございません。お間違えのないよう、ご注意ください。

若い超新星残骸SN1006で「磁場増幅」の証拠を発見
～宇宙線加速のジレンマ解消にむけ、新たな一歩～

ポイント

• 若い超新星残骸SN1006の電波とX線の観測データを詳細に解析
• 電波スペクトルの折れ曲がりと衝撃波の厚みから、100倍以上の磁場増幅を発見
• 超新星残骸での宇宙線加速を示唆する、新たな証拠を提示

早稲田大学大学院先進理工学研究科の田尾 萌梨（たおもえり、修士課程1年）と、同大学・理工学術院の片岡 淳（かたおかじゅん）教授らの研究グループは、甲南大学理工学部の田中 孝明（たなかたかあき）准教授と共同で、約1000年前に爆発した超新星残骸SN1006で生ずる衝撃波で、磁場が100倍以上も増幅される確実な証拠を突きとめました。

我々の宇宙には「宇宙線」と呼ばれる高エネルギーの粒子が満ちており、その起源は謎に包まれています。宇宙線のスペクトルは10¹⁵電子ボルト（1ペタ電子ボルト：1PeV）に特徴的な折れ曲がりを持ち、それ以下の宇宙線は超新星爆発で生成されるとする説が有力です。ところが、加速される宇宙線の最大エネルギーは磁場に比例し、弱い星間磁場（1~10マイクロガウス：10^-6～10^-5G）では1PeVまで粒子を加速するのは困難で、未解決の難問（ジレンマ）となってきました。今回、研究チームは超新星残骸SN1006の衝撃波で磁場が100倍以上も増幅されていることを発見し、PeVのエネルギーを持つ宇宙線でも加速できる示唆を得ました。

本研究成果は、2024年7月24日（水）午前10時（英国夏時間）に『Astrophysical Journal Letters』のオンライン版で公開されました。

【論文情報】
雑誌名：Astrophysical Journal Letters
論文名：Observational Evidence for Magnetic Field Amplification in SN 1006
DOI：10.3847/2041-8213/ad60c7

これまでの研究で分かっていたこと

我々の宇宙には「宇宙線」と呼ばれる高エネルギーの粒子が満ちており、観測史上、最も高いエネルギーでは10²⁰eV（eVは電子ボルト。エネルギーの単位）を超える粒子の存在が知られています。スイス・ジュネーブにある、人類最高の加速器Cern-LHCですら加速できる粒子のエネルギーは10¹³eVであることから、宇宙にははるかに効率が良い、未知の「巨大加速器」が、そこかしこに眠っていることになります。

宇宙線のスペクトルを詳細に見ると、図1のように10¹⁵eV（1PeV）付近に特徴的な折れ曲がりがあります。この構造は人間の体にたとえ、「knee（ひざ）」と呼ばれています。これまでの研究から、knee以下の宇宙線は我々の銀河系の中で生成され、knee以上の粒子は銀河系の外から到来すると考えられています。とくに、knee以下の宇宙線は星が最期におこす大爆発（超新星爆発）で、効率よく加速されると考えられています。実際、銀河系内で超新星爆発は約30年に1度の頻度で起きており、その都度10⁴⁴ジュール（J）ものエネルギーを解放します。このうち1%でも宇宙線加速に消費されれば、エネルギー収支としては十分に賄える計算となります。

ところが、個々の粒子をkneeまで加速することは、簡単ではありません。衝撃波加速の理論では、加速される粒子の最大エネルギーは

と表されます。ここで、磁場強度が星間空間と同程度であれば は B～ 1 – 10μG（μGは 10^-6G。磁場の大きさ）、 ηは1～10程度の定数です。若い超新星残骸では年齢が概ね1000年（Tage ~ 1000 yr）、衝撃波の速度は概ね数千キロ/秒（Vsh~ 1000 – 3000 km/s）のため、最大エネルギーEmax は1PeVに遠く及ばない計算となります。Kneeに到達するには、100倍から1000倍も強い磁場が必要なのです。

これまで多くの若い超新星残骸では電波からガンマ線にわたる観測が行われ、多波長スペクトルからそこでの磁場は星間磁場と同程度の  が示唆されます。一方で、若い超新星残骸 RXJ1713.7-3946（Tage ~ 1600 yr）とカシオペアA（Tage ~ 300 yr） では、X線で明るく示される「ホットスポット」が数年の間に点滅する様子が確認されました（※1）。ここで、Ｘ線（keV:キロ電子ボルト程度）は、衝撃波で加速された電子のシンクロトロン放射（※2）と考えられ、放射で冷える時間は

で与えられます。つまり、X線の点滅はミリガウス（1mG = 1000μG）の強い磁場を示唆しますが、スペクトルから求めた磁場（10μG）とは大きく矛盾します。また、ほかの超新星残骸では磁場増幅の兆候は見つかっていません。この混沌とした状況に、多くの研究者が頭を悩ませてきました。

今回の研究で明らかになったこと

本研究では、超新星残骸の「プロトタイプ」とも呼べるSN1006に着目し、多波長スペクトルと画像解析から磁場増幅と宇宙線加速の謎に挑みました。

SN1006は、その名の通り西暦1006年に出現した超新星で、距離は太陽系から約6000光年で「おおかみ座」の方向にあります。爆発時には－7.5等級まで明るくなったことが知られています。これは歴史上最も明るく、昼間でも見ることができた明るさで、藤原定家の「明月記」、中国の「宋史」にも記載があります。

約1000年経った現在におけるSN1006の姿を図2に示します。電波やＸ線では縁部（シェル）が明るい美しい球状の構造を持ち、まさに爆発による衝撃波が、星間空間を対称に広がっていく様子が見て取れます。1995年には日本の天文衛星「あすか」で初めて精密なX線分光観測が行われ、明るいシェルの部分は強いシンクトロン放射であることが確認されました。これは超新星爆発で、実際に衝撃波加速が起きている動かぬ証拠です（※3）。その後のチャンドラ衛星（米国）、ニュートン衛星（欧州）の詳細観測では、X線の衝撃波面が10秒角（地球までの距離6000光年から計算して、実際の厚みは~3光年）程度ときわめて薄いこと、また電波もＸ線も B～ 10μG の磁場中で生ずる、一連のシンクロトロン放射である、とする統一見解が得られました。しかしながら、この程度の磁場強度では、SN1006でPeVまでの宇宙線加速はできないはずです（[式1]を参照）。

本研究は以下のアプローチで、この難問の解決に挑みました：

（A）Planck（プランク）衛星を加えた1-100GHz の広帯域電波スペクトル解析

（B）MeerKAT 望遠鏡とチャンドラ衛星による高解像度の電波/X線画像の直接比較

（C）多波長スペクトル解析による検証

（A）Planck衛星は、ヨーロッパ宇宙機関（ESA）が打ち上げたマイクロ波背景放射を観測する衛星で、これまで観測できなかった数十～100GHz（GHzは10⁹Hz）での電波観測を行うことが可能です。本研究では既存の電波望遠鏡の観測結果とあわせることで、初めて1-100GHzの広帯域電波スペクトルを導出しました。結果を図３に示します。これまで、電波のスペクトルは折れ曲がりなく一直線にX線まで伸びると信じられてきましたが、本研究で（ Vbrk = 36 ± 6 GHz）に折れ曲がりがあることが分かりました（※4）。これは、電子が強い磁場中で急激にシンクロトロン放射によりエネルギーを失う結果と考えられます。折れ曲がりの周波数は磁場の強さと超新星残骸の年齢（Tage = 1000 yr）に依存するため、ここから電波放射に寄与する磁場の下限値 B > 2mG  が得られました。

（B）続いて、超高解像度の電波画像とX線画像を直接比較し、SN1006の衝撃波面の厚みを比較しました。MeerKAT望遠鏡は南アフリカに設置された口径13.5メートル、64台からなる電波望遠鏡群で、1.4GHzの観測帯で過去最高の解像度（8秒角）を誇ります。一方で、チャンドラ衛星はX線領域で過去最高の解像度（0.5秒角）を持ち、これらの画像を直接比較することで新たな示唆が得られると期待されます。ここで、電波とX線は、エネルギー（または波長）にして8桁（約1億倍）もの開きがあることに注意が必要です。衝撃波面の厚みは、衝撃波の速度 Vsh と電子の冷却時間  の積で与えられるため、もし電波とX線が同じ磁場強度を持つシンクロトロン放射であるならば、[式2]より電波の厚みはX線よりも10,000倍も「厚い」はずです。その場合、電波ではシェル構造が見えず、全体がほぼ一様な球のように光って見えると考えられます。ところが図4を見ると、電波でも明るいシェルが見られ、X線との厚みの違いは高々10倍程度であることが分かります。これは、電波に寄与する磁場がX線領域よりもずっと強く、非常に速く冷却しているからに他なりません。この事実からも、電波に寄与する磁場の下限値   が得られます。一方で、X線を出す電子はエネルギーが高いため、 B～ 10μGで観測されたシェルの厚みを説明することが可能です。

（C）上記ではSN1006で電波を出す領域の磁場の強さが非常に強く、かつX線を出す領域の磁場とは全く異なる可能性を示しました。

それでは最後に、電波からガンマ線をつなぐ多波長スペクトルからSN1006で何が起きているのか、謎解きをしてみたいと思います。図５は、今回新しく解析した広帯域の電波スペクトル（図中青色）を加えた多波長データとなります。ここではさらに、可視光・紫外線の過去の観測から見積もった強度（図中黒丸）を新たに加えています。ここで、電波からX線は高エネルギー電子のシンクロトロン放射と考えられますが、今回検出された折れ曲がりのある第１成分（図中緑：ホットスポット）、さらには可視・紫外線とX線で滑らかにつながる第2成分（図中ピンク：全体平均）が混在していることが分かります。第2成分については、高エネルギーのガンマ線放射（同じ電子からの放射だが、逆コンプトン放射（※5）という別な放射）との強度比から、磁場が約 10 – 20μG と正確に求められました。これは従来の観測から得られる示唆と矛盾せず、また他の超新星残骸で信じられている磁場の強さでもあります。一方で、第１成分の電波放射を作るには、約100倍以上磁場が強められることが必要です。つまり、電波とX線では放射に主に寄与する磁場の強さが全く異なる、すなわち放射領域が異なることが初めて示されました。

研究の波及効果－宇宙線加速の謎解明へ

超新星残骸における磁場増幅は、宇宙線加速の観点からも極めて重要な問題です。今回の発見で超新星残骸SN1006のシェルには、磁場が100倍以上に増幅された領域が混在し、それが電波スペクトルの「折れ曲がり」と同時に「細いシェル」を説明することが分かりました。一方で、磁場強度が違うにも関わらず、電波とX線で観測されるシェル構造が似通っているのは何故でしょうか？また、他の若い超新星残骸RXJ1713.7-3946やカシオペアAで観測されたホットスポットの点滅は、SN1006では見えないのでしょうか？ここではその原因を考察します。

まず、電波とX線の画像が似ていることは、磁場が100倍以上も増幅された領域がシェルに沿って、ほぼ一様に広がっていることを示唆します。これらは衝撃波面に沿ってパッチ（ホットスポット）のように点在している可能性もありますし、極めて薄いシート状に広がっているのかもしれません。シンクロトロン放射の強度は磁場の2乗に比例するため、大まかに磁場増幅された領域の体積を見積もることができます。SN1006の場合、シェル全体の10万分の1程度しかないはずです。このような小さな（あるいは薄い）領域は、チャンドラ衛星の解像度をもってしても画像で分解することができません。また、仮に分解できたとしても、 Vbrk = 36 ± 6 GHzで折れ曲がった第１成分が、果たしてX線まで伸びているかも定かではありません。もちろん、今後の観測で、RXJ1713.7-3946やカシオペアA で観測された時間変動が見られれば、より強い制限を与えられることになります。

最後に、図4で求めた電波とX線の画像から、さまざまな位置で電波とＸ線のシェルの厚みを比較したプロットを図6に示します。全てのシェル領域で、磁場の増幅が見られ、増幅率は100－300倍程度であることが分かります。超新星残骸のプロトタイプともいえるSN1006で磁場増幅の確かな証拠が得られたことで、宇宙線加速の長年の謎であった「超新星残骸ではPeVまで加速できない？」問題に、重要かつ新たな示唆が得られたことになります。

今後の課題

本研究では、有名な超新星残骸SN1006に対し、Planck衛星の広帯域電波観測、またMeerKAT電波望遠鏡、チャンドラ衛星を総動員した最先端の観測を駆使し、超新星残骸の磁場増幅、さらには宇宙線加速の問題に迫りました。もちろん、SN1006以外にも若い超新星残骸はたくさんあります。たとえば1604年に爆発したケプラー（Kepler）、1572年に爆発したティコ（Tycho）はチャンドラによるＸ線観測で細いシェルが明確に見えており（図7）、MeerKATを用いた同様な電波画像との比較が待たれます。また、約3700年前に爆発したPuppis AはPlanck衛星による電波観測で折れ曲がりが見えており、これらとSN1006の比較も重要な課題です。今後、研究チームではより広範な種類と年齢の超新星残骸で、磁場増幅の検証を行っていく予定です。

研究者のコメント

宇宙を飛び交う高エネルギー粒子「宇宙線」は1912年に、オーストリアの研究者 ヘス（V.HESS）による気球実験で発見されました。大型の加速器が作れない当時、宇宙線を利用した研究は素粒子物理の花形で、多くの発見をもたらしました。そして100年以上を経た現在、いまだに人類は自然界を超える加速器の製作に成功しておらず、また宇宙のどこで・どのように宇宙線が生成されるのかは、物理学・天文学共通の最重要な研究テーマとして君臨しています。今回の研究は、超新星残骸SN1006に着目したものですが、研究チームが開発した「スペクトルと画像を多波長で横断するアプローチ」は、超新星残骸以外のさまざまな天体への応用が可能で、宇宙に隠れた加速器の真の姿を照らしてくれるに違いありません。今後の研究にご期待ください。

用語解説

※1 若い超新星残骸で見つかった、X線ホットスポットの強度変化：
・ “Extremely fast acceleration of cosmic rays in a supernova  remnant”, Uchiyama, Y., Aharonian, F. A., Tanaka, T., Takahashi, T., & Maeda, Y. (2007), Nature, 449, 576
・ “Fast Variability of Nonthermal X-Ray Emission in Cassiopeia A: Probing Electron Acceleration in Reverse-Shocked Ejecta”, Uchiyama, Y., & Aharonian, F. A. (2008), The Astrophysical Journal, 677, L105

※2 シンクロトロン放射
高エネルギーに加速された粒子が、磁場中で出す放射。粒子の質量の4乗に比例して放射しづらくなるため、実際に観測されているのは軽い電子によるシンクロトロン放射だけである。

※3 ASCA衛星による SN1006の観測
・“Evidence for shock acceleration of high-energy electrons in the supernova remnant SN1006”,  K. Koyama, R. Petre, E. V. Gotthelf, U. Hwang, M. Matsuura, M. Ozaki & S. S. Holt, (1995), Nature, 378, 255

※4 SN1006 の電波スペクトルに折れ曲がりがあることは、以下の論文が最初に発表
・”Planck intermediate results: XXXI. Microwave survey of Galactic supernova remnants”, Planck collaboration, (2016), A&A, 586, A134

※5 逆コンプトン放射
高エネルギーに加速された電子が、エネルギーの一部を低エネルギーの光子（SN1006場合は、宇宙マイクロ波背景放射）に与えることで生ずる、高エネルギーの放射。

論文情報

雑誌名：Astrophysical Journal Letters
論文名：Observational Evidence for Magnetic Field Amplification in SN 1006
執筆者名：Moeri Tao¹、Jun Kataoka¹ and Takaaki Tanaka²

1．早稲田大学理工学術院　先進理工学研究科　物理学及応用物理学専攻　田尾  萌梨、片岡  淳 （論文責任著者）
2．甲南大学理工学部　物理学科　田中  孝明

掲載日時（英国夏時間）：2024年7月24日（水）午前10時
掲載日時（日本時間）：2024年7月24日（水）午後6時
DOI：10.3847/2041-8213/ad60c7
掲載予定URL：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad60c7

研究助成

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 ERATO「片岡ラインX線ガンマ線イメージングプロジェクト」（R3~8年度；グラント番号 JPMJER2102）および科学研究費補助金 基盤研究（B）「超新星残骸で加速される宇宙線総量の測定と粒子加速における注入問題の解決」（R2~5年度；グラント番号19H01936）の支援を得て実施したものです。

光でタンパク質の凝集を誘導するツールがアルツハイマー病患者等の脳に生じるタウ凝集生成メカニズムの新たな理解を導く

ポイント

• アルツハイマー病を含むタウオパチーと総称される神経変性疾患の患者脳では、タウと呼ばれるタンパク質が異常に集まり、大きな塊（アルツハイマー病では神経原線維変化^※１）となって観察されます。その前段階には小さな塊（オリゴマー）がありますが、どのようにそれらが形成するかは十分に解明されていません。
• 光感受性タンパク質CRY2oligを用いてタウタンパク質の小さな塊から大きな塊までの凝集過程を制御する実験系を構築しました。
• この研究は、タウタンパク質の凝集メカニズムの一端を明らかにしており、タウオパチー病態理解のための基礎的知見が得られました。。

概要

早稲田大学理工学術院の坂内博子教授、学習院大学理学部生命科学科の添田義行助教、大学院生の小池力さん、高島明彦教授、椎葉一心助教、東京大学大学院理学系研究科の吉村英哲助教らからなる研究グループは、アルツハイマー病を含むタウオパチーと総称される神経変性疾患の患者脳に観察される特定の変異を持つタウタンパク質が、どのようにして異常な凝集体を形成するのか、その過程を明らかにしました。特に、光反応タンパク質CRY2oligを使用することで、タウタンパク質の動きを制御し、病気の進行メカニズムを解明する手がかりを得ることができました。

本研究成果は、タウタンパク質の凝集メカニズムの理解を促進し、アルツハイマー病等のタウオパチー病態理解のための基礎的知見の蓄積に貢献します。本研究成果は、2024年7月20日午前1時(日本時間)にCell Press（米国）の科学雑誌Structureに掲載されました。

研究の背景

タウタンパク質は、細胞の中に存在し、微小管という細胞の構造を安定させる細胞骨格に結合することが知られています。しかし、アルツハイマー病などの神経変性疾患では、タウタンパク質が異常リン酸化される等により、微小管から離れること、また水溶性の状態から不溶性の塊を作ってしまうことが知られています。この異常なタウタンパク質の密な塊（凝集体）が、病気の進行に関与していると考えられています。したがって、タウタンパク質が液体のような状態から固体の塊に変わる過程が病気の理解に重要でありますが、その研究は十分に行われておりません。この過程を理解するために、青色の光で反応するシロイヌナズナという植物由来のタンパク質の変異体CRY2olig使って、タウタンパク質の凝集を制御し、その過程を詳細に観察しました。

研究の内容

光照射によるタウタンパク質の変化

凝集しやすいP301L変異を持つタウタンパク質に光感受性タンパク質CRY2oligを融合させたタウタンパク質OptoTauを使用し、光照射に応答して変化するタウタンパク質の挙動をリアルタイムで操作しました。青色光の照射で、OptoTauは病気で観察されるようなリン酸化状態に変わり、また、細胞内でタウ同士が集まるクラスター形成が促進されました。このクラスターは細胞核の周りに集中しており、アグリソームという凝集タンパク質を処理するためのシステムに隔離されていることが観察されました。

アグリソームの破壊実験

微小管の形成を阻害する薬（ノコダゾール）を使用し、アグリソームを破壊しました。実験では、青色光の照射によってOptoTauが細胞全体に散在し、アグリソームではなく膜のない構造体が形成されました。これは、生命科学分野で注目されているトピックの１つである液-液相分離^※2で形成されるドロップレットでありました。このような結果は、タウタンパク質は液滴のような構造から固体の塊に変わる過程が観察されたことを示しています。

N末端欠失OptoTauの効果

このOptoTauを真ん中付近で切断したN末端^※3が欠失しているOptoTau-ΔNは、青色光の照射によってOptoTauより強力な凝集体を形成することが分かりました。また、これが正常なタウをタウ線維^※4に変換させる種（シード）として機能することが示されました。この結果から、N末端の欠失がタウタンパク質の相互作用を強化し、液滴から安定した凝集体への変化を促進することがわかりました。さらにそのタウは、正常なタウを異常凝集タウに変換させる能力を持つこともわかりました。

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）

本研究は、特定の変異を持つタウタンパク質がどのようにして異常な凝集体を形成するのか、その過程を明らかにしました。特に、光反応タンパク質CRY2oligを使用することで、タウタンパク質の動きを制御し、病気の進行メカニズムを解明する手がかりを得ることができました。これにより、アルツハイマー病などの治療法開発の基礎的知見の蓄積に貢献できる可能性があります。

発表者

添田 義行 学習院大学理学部生命科学科 助教
吉村 英哲 東京大学大学院理学系研究科化学専攻 助教
坂内 博子 早稲田大学先進理工学部電気・情報生命工学科 教授
小池 力 学習院大学⼤学院⾃然科学研究科 博士課程３年生
椎葉 一心 学習院大学理学部生命科学科 助教
高島 明彦 学習院大学理学部生命科学科 教授

論文情報

論文名：Intracellular Tau Fragment Droplets Serve as Seeds for Tau Fibrils
雑誌：Structure
著者名：Yoshiyuki Soeda, Hideaki Yoshimura, Hiroko Bannai, Riki Koike, Isshin Shiiba, Akihiko Takashima
DOI：https://doi.org/10.1016/j.str.2024.06.018

研究助成

本研究は、文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「シンギュラリティ生物学」(領域番号8007) （課題番号18H05414および18H05410）、科学研究費助成事業（Grant Number 20K06896、23K05993、23H02102 、23K18116、22K15399、22H05574および24H01327）、武田科学振興財団、安倍能成記念教育基金学術研究助成金および日本医療研究開発機構(AMED)の課題番号JP15km0908001の支援により実施されました。また、本発表は学習院大学グランドデザイン 2039「国際学術誌論文掲載補助事業」より掲載費の助成を受けています。

用語解説

※1 神経原線維変化
神経原線維変化は、脳の神経細胞内でタウと呼ばれる微小管結合タンパク質が異常に凝集し、蓄積したものです。これは神経変性疾患の１つであるアルツハイマー病の病理学的特徴になっています。タウが異常蓄積する神経変性疾患はアルツハイマー病以外にもピック病や慢性外傷性脳症などがあり、それらの疾患はタウオパチーと総称されています。

※2 液-液相分離
液-液相分離（えき-えきそうぶんり）とは、2つ以上の液体が混ざり合わずに別々の層を形成する現象のことです。タンパク質でも起こり、形状は球状でタンパク質局所濃度を増加させると考えられています。液-液相分離して起こる球状の構造体はドロップレット、コンデンセート、コアソルベート等と呼ばれています。

※3  N末端
タンパク質の先頭は、アミノ基のもつN(窒素原子)に由来してN末端と呼ばれます。タウにおいては、図のN-terminalという部分が該当します。

 ※4 タウ線維
アルツハイマー病等の神経変性疾患において、タウタンパク質は多数集まることで凝集状態になっています。凝集状態は小さな塊から大きい塊に変化することで生じます。大きな塊には、タウが線維化したものが多数含まれます。

公募_早稲田大学理工学術院_情報理工学科