東京大学産学連携プロポーザル

グローバル化の進展、官主導から市民主導へのシフトのなかで、社会の構造が大きく転換し、この新しい社会を担う能動的市民を育成するシティズンシップ教育が強く求められている。裁判員制度の導入をはじめとする司法制度改革、成年年齢や選挙権年齢の引き下げに関する議論なども進み、司法や政治、社会に参加する市民の育成は急務の課題となっている。また、そのような状況を受けて、2013年3月には、シティズンシップ教育に取り組む団体や個人をつなぐネットワーク組織として、日本シティズンシップ教育フォーラム（J-CEF）が発足した（詳しくは、下記「関連情報JのCEFウェブサイトを参照）。 この研究室では、そのような現状をふまえながら、上記J-CEFをはじめとする諸団体や学校現場と協働して、シティズンシップ教育の開発と支援に関わっている。

生体、インク、建材、土、コンクリート等の高分子水溶液やゲル、無機多孔質材料のうちには水が含まれおり、様々な状態で材料を構成する分子と干渉することで、材料の性質やその経年変化に影響を与えている。この様な材料と干渉する水を総称して結合水と呼び、その分量と分子運動の程度を知ることは、水を媒介した種々の化学反応、相変化の速度や力学的性質を知る上で重要である。非常に広い帯域の水分子の回転運動の速度とその量を測定する方法として、とりわけ誘電分光は、水がもつ大きな双極子モーメントの緩和時間として直接測定できる点で他の分光法にない特徴をもつ。 この研究室では、 1)極微量の材料を広帯域誘電分光することにより、材料中に含まれる種々の緩和時間をもつ水分子の緩和時間分布を測定 2)材料表面（例えば皮膚など）から1mm程度の深さまでの自由水の水分分布を測定する技術を有している。

生体や食品を必要に応じて利用するためには需要と供給のバランスをとるため、貯蔵することが不可欠であり、そのための高品位な凍結・凍結乾燥技術は実用的に非常に重要なものである。生体や食品は、水分を多く含み、常温で劣化し易い性質を持つことから、その保存には水の凝固(凍結)やガラス化といった相の変化や、分子運動の程度(活性)を測定・制御することが重要である。 　凍結に関しては、冷却速度や生体内の溶質濃度を考慮した細胞内外の凍結現象の解析や、氷結晶の粗大化を抑止したり監視する技術の開発を行ってきた。また、特に医療用生体の乾燥保存を目的として、生体内の水分子の運動の緩和現象を測定する手法を開発し、結合水の定量測定をすることで水分子のダイナミクスが保護効果に及ばす影響を調べている。現在は、養殖用魚卵の保存、医療用検体やプロテインチップの乾燥保存に取り組んでいる（詳細については、下記研究室ＨＰを参照のこと）。

酸素の酸化還元反応は、水の電気分解や電解製錬、燃料電池、金属空気二次電池などに関わる学術的にも産業的に非常に重要な電気化学反応である。八木研究室では、酸素発生反応（水の酸化分解反応）およびその逆反応である酸素還元反応を促進する電気化学触媒の設計指針確立のための基礎研究を、大阪府立大学の山田幾也准教授や池野豪一准教授らと共同で進めている。その中で、酸化物中の遷移金属イオンや酸化物イオンの電子状態および構造が触媒活性に与える影響を明らかにしてきた。さらに現在、金属空気二次電池の出力とエネルギー密度の最大化のために、触媒の性能のみならず、価格や安定性などを考慮した部材の選定、様々な形状のセルや電極の設計・試作にも取り組んでいる。セルの形状は、言うまでもなく絶対的な正解の無いものではあるものの、確実に性能に影響を及ぼす極めて重要な因子である。

自動車排ガス浄化触媒に代表されるように、貴金属を用いた環境浄化用触媒は典型的な代表例である。元素戦略的観点からも、貴金属の機能を把握し、代替となる素材により省貴金属触媒を達成することは望ましい。 この研究室では、ゼオライトなど多孔質材料の低濃度物質濃縮作用に着目し、そこに選択性が賦活された機能を触媒活性点と併存することで、貴金属代替触媒となりうることを示した。ゼオライトの中に一酸化窒素NOや炭化水素HCの吸着作用を示す金属イオンを交換担持すると、NO、HCを選択的に濃縮することが可能となり、その後エネルギー印加によって分解や酸化が容易に進行することを示した。通常酸化活性の高くない鉄イオンの酸化還元によって、ミクロ孔内に濃縮された炭化水素を二酸化炭素まで完全酸化させ放出させるスーパーHC改質型トラップ材や、銅ゼオライトを用いたマイクロ波加熱によるNO吸着分解という新しい触媒プロセスの提案に至った。 一方、アンモニアを還元剤としたNO選択還元については、自動車技術研究組合AICEでのプロジェクトによって、産産学学による新規ゼオライト触媒設計研究に従事している。

ゼオライトは典型的には結晶性多孔質アルミノシリケートである。アルミニウムが同型置換することによって生じる表面負電荷を補償するために、骨格外に正電荷をもつイオンを交換担持することができる。そこにH（プロトン）を配置すると酸触媒となり、石油精製・石油化学分野の酸触媒プロセスにおける必須な素材となっている。この酸触媒作用は主に炭素－炭素間結合を切断する機能であり、現在は過分解された炭化水素（メタンなど）は燃焼排気されている。メタンや二酸化炭素など、このような形で廃棄される炭素資源材料を、塩基触媒作用の重要な炭素－炭素結合形成機能を利用して再資源化することが究極の目標である。 その塩基触媒は、酸触媒と比較して検討例が極めて少ないのが現状である。この研究室では、シリカ骨格の酸素を窒素に同型置換することによって生じる塩基性もしくは求核性が触媒として有効に作用する反応系を見いだした。さらには、窒素置換することで生じるN-H結合のHをメチル基に置換できることを見いだし、この操作によってN上の孤立電子対の求核性（塩基性）が増大することをも見いだした。現在はこの触媒を用いて二酸化炭素を反応物とする戦略に邁進している。

均質ナノ多孔空間をもつ材料を触媒として利用しても、その構造特性をフルに活用できる触媒反応例（例えば，形状選択的反応）は実際にはほとんどみられないのが現状である。したがって、ゼオライトやメソポーラスシリカなど、均質ナノ空間を真の意味で活用するアプリケーションのアイディアが求められており、またその存在意義を深めるモチベーションが強く望まれている。 この研究室では、均質な空間に閉じ込められたエネルギー保有物質が均質なエネルギーを系に返還することが出来ることに注目し、均質ナノ空間閉じ込め材料による熱の出し入れを行う発想を得た。非常に幅の狭い温度域で熱の吸収・放出が可能な素材として、相変化物質と相転移温度が挙げられる。メソポーラスシリカの細孔内部に相変化物質を挿入し、吸熱・発熱挙動を熱測定を行い観察した。メソポーラスシリカ細孔内部で固液相変化が起こっていること、液相は界面張力により漏出しないこと、バルク体と比べると細孔壁との相互作用により回収できる熱が低下すること、繰り返し熱の吸収・放出が可能となることを発見した。このことは、多孔空間の表面で行うエネルギー変換と、多孔空間そのものを活用するエネルギー貯蔵とで役割を変化させ、利用可能なナノ多孔空間を構築することができることを示した例である。

この研究室が中心となり2017年に設立された「ロコモ予防学講座」では、変形性関節症、骨粗鬆症、サルコペニアをはじめとする高齢者運動器疾患の大規模統合データベースを構築し、運動器の障害のために要介護となる危険の高い状態であるロコモティブシンドロームの治療法開発や、これ以外にも要介護に影響を及ぼすと考えられるサルコペニア、フレイル、認知症対策に繋がる疫学的エビデンスの解明を目指している。 本講座では、2005 年からわが国の高齢者運動器疾患およびそれによる要介護移行の予防を目的として、一般住民を対象とした大規模コホート疫学研究（ROADプロジェクト）を開始した。このプロジェクトの骨関節疾患を予防目的とした住民コホートは世界最大規模であり、2015 年～2016 年には10年目の追跡調査を完了している。 今後は10年間の追跡調査結果をふまえて、観察疫学とゲノム疫学の手法を駆使し、ロコモティブシンドローム、変形性関節症、骨粗鬆症、サルコペニア、フレイル、認知症をはじめとする高齢者運動器疾患の発生率、発生に関わる危険因子、ADL/QOL への影響、要介護移行率、要介護予防のためのスクリーニング手法の開発などの充実をはかる予定である。

近年色覚や様々な化学物質感覚センサーの遺伝子が同定されている。色覚と化学物質感覚センサーが相互にどのような適応的意義をもつのかを理解することはヒトを含めた霊長類の進化を理解する上で極めて重要である。そのためには野生の集団中でこれらの遺伝子がどのような多様性を持つかを調査することで自然選択を検出する方法が極めて有効である。本研究では色覚の様相の異なる様々な種の霊長類の野生集団を対象に、色覚、嗅覚、フェロモン知覚、味覚の受容体遺伝子及びゲノム中の中立対照領域の塩基配列多型性を調査し、自然選択の予測された遺伝子に対し機能解析を行ない、野生行動との関連を検討することで、霊長類感覚系の適応進化に対する理解を特段に深める。得られた成果は霊長類全体の感覚進化の理解を大きく進めるだけでなくヒトの色覚変異をはじめとする感覚多様性についても新たな視点を与えると予想される。 種内変異は環境適応への源泉であり現在進行形の進化の反映である。モデル生物は決して生物全体を代表せず、1個体のゲノム情報は決して種を代表しないことが一般に認知され始め、時代は多様性の探索とその意味付けという生物学本来の重要な側面に立ち戻りつつある。中でもヒトに近縁な野生霊長類の遺伝的多様性の理解は進化学の重要なテーマでありヒトの進化を理解する上でも極めて重要である。また野生状態の多様性の実態を明らかにすることは環境と絶滅危惧動物種の保全といった極めて今日的で切迫した問題への指針を与えることができる。

異なる波長の光を違うと感じる感覚（色覚）は動物により大きく異なっている。同じ虹を見ても４色型色覚の鳥なら３色型色覚のヒトよりずっと多くの色を見ることができるだろう。近年の研究の結果、さまざまな動物において色覚を担う視物質の解明が進み、動物によりその数や種類が異なることがわかってきた。例えば、魚類のゼブラフィッシュは高度な４色型色覚を持つだけでなく、網膜の領域により視物質構成を違えることで、視線の方向によって色覚を違えており、３色型の人類よりはるかに微妙な色調を認識できると考えられる。これを実現するための視物質遺伝子の制御メカニズムもわかってきた。また、中南米に生息する新世界ザルには１つの種内に６種類の異なる色覚型が存在するものが知られており、生息環境と獲得色覚との密接な関連もわかってきている。