東京大学産学連携プロポーザル

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。

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。

24時間稼働型社会の到来を受け、健全な睡眠を確保することの大事さが近年認識されている。睡眠の異常はうつ病を始めとする精神疾患、あるいは肥満などの生活習慣病と関わることが知られている。その一方で、健全な生活を送る上での適切な睡眠量は個人によって大きく異なり、「良い睡眠」を規定する因子は遺伝的要因と環境的要因の双方を含んでいると考えられる。 本研究室では、マウスの睡眠表現型を簡便・並列に測定する方法を開発し、さらに、遺伝子改変マウスを高効率・並列に作製する方法を開発してきた。これらの手法を用いて、一日の睡眠時間が顕著に変化する遺伝子改変マウスを多種類報告している。特に、細胞内カルシウムに依存した神経細胞膜電位の制御に関わる遺伝子群や、カルシウム依存的タンパク質リン酸化酵素が、一日のNREM睡眠時間の制御に関わることを見出した。さらに、アセチルコリンと呼ばれる神経伝達物質の受容体であるM1, M3受容体がREM睡眠に必須の役割を果たすことを報告してきた。 これらの遺伝子は我々ヒトでも、睡眠制御に重要な役割を果たすのであろうか？また、実験室環境にあるマウスよりもはるかに多様な遺伝的、環境的要因にさらされているヒトでは、さらに多様な睡眠制御因子があるのではないか？これらの問いに答え、将来的な睡眠およびその関連疾患に対する創薬ターゲットを提示するために、数百人から数千人規模のヒト集団を対象として、睡眠表現型と遺伝情報の対応付けを行う研究を展開する準備が整いつつある。

微細加工技術の発達により、メカニカル構造体の微細化が進み、従来の光学式の手法では、その動特性を精度良く評価することが困難になってきている。当研究室では、ナノスケールのメカニカル構造体の高精度な動特性評価達成に向け、新たな振動計測技術の研究開発を進めている。具体的には、数nmの空間分解能での計測を可能とする電子ビームを利用した振動計測法（図１），原子スケールの空間分解能を持つ原子間力顕微鏡を活用した振動計測法（図２）に関する研究を行っている。

ナノメカニカル構造やフォトニック構造，バイオツールなどの作製を狙い、集束イオンビーム化学気相成長法(FIB-CVD)を活用した立体ナノ構造形成技術の研究開発を進めている。図１に示すようにsub100nm～数10μmの立体構造体をボトムアップ形成可能な技術である。原料ガス選択によりカーボン系，金属系など多様な材料で構造体の形成を行うことができる。これまでのところ、本技術のコアとなる描画技術やデバイス応用の基礎となる材料物性に関する研究を進めるとともに、微小部品操作のためのマニピュレータ作製や振動子センサ開発，単一細胞内小器官の操作計測のためのバイオツール作製などへの応用を行ってきた（図２）。

ナノメカニカル振動子は、振動を介し様々な微小物理量（変位，機械的・電磁気的力，温度，電荷，スピン等）を検出できることから、NEMS(Nanoelectromechanical systems)センサのキーコンポーネントとして期待されている素子である。当研究室では、ナノメカニカル構造のセンサへの応用を進めるとともに、その研究開発の鍵となるナノ構造作製技術，振動計測技術，ナノメカニカル構造体の特性解明，機能化に関する研究を行っている。 ナノメカニカル振動子の高性能化，センサ応用を行った例を紹介する。図１は、歪印可によりグラフェン振動子を高Q値化した例である。振動子に引張応力を印可することで、共振周波数の高周波数化に加え、センサ感度に関係するQ値を大幅に改善(現時点で24倍の高Q値化を達成)することができる。その他、形状や表面状態，材質を工夫することで、振動子の高性能化，高感度化に取り組んでいる。また、センサ応用の一例として、図２に波長計測素子を示す。光通信技術，分光技術などの材料評価技術への応用を狙った素子である。このように、ナノメカニカル構造を活用したセンサ素子，或いはその高性能化に関する研究を進めている。

この研究室では主に微生物に由来する各種の産業上有用酵素について研究を行った実績がある。例えば、バイオ医薬品糖タンパク質(IgGなどの抗体医薬)の糖鎖を切断するエンド-β-N-アセチルグルコサミニダーゼ、アクリルアミドの工業生産に用いられるコバルト型ニトリルヒドラターゼ、脂質を分解できる好熱性リパーゼ（カルボキシエステラーゼ）、位置特異的な水酸化反応を触媒して抗生物質生産や化合物変換を行なうP450酵素、キラル化合物の合成に用いられるNAD(P)H依存性デヒドロゲナーゼ、C-C結合を加水分解して切断することにより難分解性物質を分解する酵素などである。

糖質関連酵素とは、グリコシド結合に作用する酵素の総称である。澱粉やセルロースなどの多糖に作用する酵素（アミラーゼやセルロースなど）だけでなく、高等生物の細胞表面に存在する複雑な糖鎖に作用するものも含む。例えば、澱粉、乳糖、蔗糖などの安価な可食性糖質に作用する酵素は新規な食品素材を生産するなどの応用が期待できる。また、セルロースやヘミセルロースなど植物細胞壁に作用する酵素は、非可食性糖質をバイオ燃料などの生物素材に変換する機能も持っている。一口に糖質関連酵素といってもその種類は驚くほど多く、加水分解酵素ファミリーに限ってもこれまで約１６０もの種類が発見されている。 この研究室では主に微生物に由来する糖質関連酵素の立体構造解析において豊富な業績、知見、知識を有している。

この研究室では、植物の病害防御を目的として多様な植物ウイルスに共通した感染戦略・病原性発現機構を明らかにすることを目的としている。これまでにシロイヌナズナ野生系統の中から、ユリなどに大きな被害を与え問題となっているポテックスウイルスの一種に強力な抵抗性を示す系統を発見し、JAX1（JACALIN-TYPE LECTINE REQUIRED FOR POTEXVIRUS RESISTANCE1）と名付けた。この遺伝子は、世界最大の果物と呼ばれるジャックフルーツの成分と類似するレクチンの一種であり、これまでにない新しいウイルス抵抗性を示した。 JAX1のウイルス抵抗性を確認するため、JAX1を持たないタバコとJAX1を発現させたタバコにGFP（緑色蛍光タンパク質）を導入した光るウイルスを接種したところ、JAX1遺伝子を持たないタバコはウイルスに感染したが、JAX1遺伝子を発現させたタバコはウイルス感染が起こらなかった（図1）。このことから、JAX１はウイルス感染の初期段階で増殖を抑制することにより、強力な抵抗性を示すことが明らかになった。また、この研究成果では、植物レクチンが植物ウイルスの増殖を阻害するという機能を初めて明らかにした（図2）。