東京大学産学連携プロポーザル

植物に外来遺伝子を導入してサブユニットワクチンや抗体医薬などのタンパク質を生産させる方法は、低コストで生産規模調整の容易な有用タンパク質生産法として注目されている。この生産法では、組換え遺伝子の拡散防止や有用タンパク質の生産量および品質の安定化のため、植物を環境制御可能な閉鎖型施設内で栽培する必要がある。当研究室では、主に閉鎖型施設内の光、温熱、ガス環境などの物理環境に着目し、物理環境が有用タンパク質生産量に及ぼす影響の解明、および高い有用タンパク質生産量を得るための環境調節法の策定に関する研究開発を行っている。

この研究室では、災害対応訓練シナリオの作成・管理支援技術の開発を行っている。新しい災害想定の作成、それに基づく訓練資料（タイムテーブル、状況カード、ナラティブ記述など）作成、データベース構築、他部署・他組織との知見共有、等を支援する機能をこれまでに開発した。現在、拠点病院向け訓練を対象とした統合システムも開発中である。

シミュレーション技術は既に高度なものづくりに欠かすことのできない技術である。さらに、災害予測や医療応用への発展が期待されている。当研究室では、津波の陸上遡上に関する3次元粒子法シミュレーションのような災害対策のための自然災害のシミュレーションに取り組んでいる。また、肺がんの放射線治療の精度向上のための肺の呼吸による変形の粒子法シミュレーション、乳がんの診断のための乳房の変形の粒子法シミュレーションなど、医療応用も試みている。人の役に立つための新しいシミュレーション技術の使い方を追求している。

新しいシミュレーション手法である粒子法を用いて、様々な分野のシミュレーションやコンピュータグラフィックスを研究している。粒子法を用いて、例えば、自由表面の激しい変形を伴う流れや構造物の破壊など、様々な複雑現象について高精度で安定に解析することができる。さらに、シミュレーションの高速・大容量化、および画像処理やコンピュータグラフィックスと組み合わせる研究も行っている。生体シミュレーションや医療といった分野へも展開している。

この研究室ではノロウイルスを含むヒト腸管系ウイルスなどを水道水、下水、海水、河川水から検出・定量する技術を開発し、それを用いた研究を行っている。本技術は、適用可能な水質の範囲が広く、簡便かつ回収率が高いため、国内外で広くつかわれつつある方法である。  

紫外発光ダイオード（UV-LED）を光源とする紫外線処理技術の研究開発に取り組んでいる。具体的には、紫外線による消毒（浄水、下水再生水など）の研究実績が多く、加えて、紫外線を利用した光化学分解（水中の溶存有機物など）の基礎研究も行っている。水以外にも、医薬系の流体を対象とする研究も実施している。 紫外線照射による微生物の不活化は、消毒技術として既に確立されており、有害な消毒副生成物を生じないこと、塩素消毒剤への耐性が極めて高い病原性原虫であるクリプトスポリジウムに極めて有効であること、既存施設に追加設置しやすいこと、維持管理が比較的容易であることなどの特徴を有している。紫外線による水処理技術の応用分野は、浄水処理、下水処理にとどまらず、食品、飲料、医薬品、化粧品などの各種製造業や、水産養殖業、水族館、温泉やスイミングプールなど、多様な分野で水の消毒に活用されている。 従来の浄水処理では、紫外線光源として水銀灯が用いられており、ランプ破損時の水銀漏洩リスクはゼロではない。一方、近年市場に登場したUV-LEDは超小型かつ無水銀の特徴を持ち、従来の水銀灯ではなしえなかった装置形状や用途が可能になると期待される。たとえば、水道システムが未成熟な途上国では家庭用の小型浄水器が急速に普及しつつあり、それらにUV-LEDを組み込むことで、飲み水の安全性を飛躍的に高められる可能性がある。また、先進国でも、過疎地や離島など大規模集約型のインフラ水道施設の維持が困難な地域において、地産地消で安定的に安全な水を得る分散型処理技術としての活用が望まれる。その他、従来のランプ形状に縛られない自由な発想で、使う場と用途を具体的に想定したUV-LED装置開発が期待されている。

神経系を構成する神経細胞は軸索と呼ばれる突起を伸ばし、互いにつながりあうことで神経回路を形成している。神経回路の形成過程は、複雑な組織の中でいかに軸索を正確な標的細胞へと誘導するかが重要であり、培養神経細胞等を用いてさまざまな分子メカニズムが解明されてきた。しかし生物組織内においては、その複雑な環境下で軸索がいかに伸長するかについて未だ全容が明らかとなっていない。 この研究室では、新規に作製した光応答性分子を用いて、生きた生体内において軸索に光を照射することによって、その伸長方向を制御する手法の開発に成功した。また開発した手法を用いて、光照射に対する成長円錐の応答を詳細に解析することで、周囲に物理的障壁がある場合に成長円錐の可動方向が制限されることを明らかにした。

ヒトのインスリン代謝などに関係するタンパク質リン酸化酵素Ａｋｔの酵素活性を、光照射により分単位で操る手法を開発し、Ａｋｔ活性の時間的な変動パターンが細胞応答を制御する新規メカニズムが存在することを証明した。 人工の光感受性Ａｋｔと数理モデルを組み合わせ、世界で初めて細胞内のＡｋｔ活性の時間的な変動パターンを自在に操作することを可能とした。

現在、タンパク質の機能解析は、細胞をすりつぶして検出する破壊分析に多く依存しており、真の生体機能が発現しているリアルタイムでの活性の検出法が求められている。 この研究室では、生きた動物個体内でのカスパーゼ-3活性を検出する発光タンパク質プローブを開発し、生きたマウス体内のカスパーゼ-3活性を高感度にリアルタイム検出できることを実証している。また、本プローブの検出原理は、カスパーゼ-3以外のプロテアーゼ活性の検出にも応用可能である。

MRI-linac (MRIdian：Viewray Inc.)とは、患者の治療中のMRI画像を観察しながら肺がんなど移動性腫瘍に対する放射線治療を行う装置である。しかしMRI-linacで取得できるのは2次元の矢状断面画像のみで合って、腫瘍の3次元情報(形状・移動・変形)をリアルタイムで把握することは出来ない。また、画像化システムやマルチリーフコリメータ制御による遅れのため照射位置のズレも生じる。 この問題を克服するため、2次元の矢状断面MRI画像から「移動性腫瘍」の「数秒未来」の「3次元形状」を「リアルタイム」で描画するアルゴリズムを，オプティカルフローと深層学習モデル(LSTM, Cycle GAN)を組み合わせにより提案&開発し、かつ実用化にも成功した。