大阪大学大学院理学研究科附属フォアフロント研究センター大阪大学大学院理学研究科附属フォアフロント研究センター

Category:開催報告

日時: 2023年12月13日(水)
   16:00〜18:00(談話会), 18:00〜 (懇親会) 
会場: 大阪大学理学研究科J棟 南部陽一郎ホール(オンサイトのみ)
座長:兼田加珠子 教授
話題提供:
(1)深瀬浩一(分野横断プロジェクト研究部門
        医薬健栄研・理学研究科協働免疫制御プロジェクト代表・教授)
(2)兼松泰男(分野横断プロジェクト研究部門
        「光×質量分析」プロジェクト代表・教授)
概要:
(1)前半は、医薬健栄研・理学研究科協働免疫制御プロジェクト代表の深瀬先生から、国立研究開発法人 医薬基盤・健康・栄養研究所(医薬健栄研)と共同で進めているワクチンとアジュバント開発プロジェクトの研究活動を報告いただいた。

アジュバントとは、ワクチンの効果を高めるために、ワクチンと共に投与される物質で、ワクチン開発の鍵を握る。モノリン酸リピドA (3D-MPL)やCpG DNAなど複数の自然免疫活性化因子がアジュバントとして実用化されている。まず自然免疫の働き、中でも抗体産生などの獲得免疫活性化について紹介された。

3D-MPLはグラクソスミスクライン社で実用化されたリピドA誘導体であり、サルモネラ菌のリポ多糖から誘導されたものである。本研究科におけるリピドA研究の歴史や免疫増強活性発現機構解明への貢献など3D-MPL開発に導く、基礎研究の貢献が紹介された。

医薬健栄研の國澤純博士はAlcaligenes属細菌が小腸粘膜組織のリンパ節であるパイエル板に共生することを見出していたので、Alcaligenes faecalisの細胞膜(外膜)構成成分であるリポ多糖の単離精製・構造研究を行い、リピドAが活性中心であることを合成化合物を用いて示した。合成A. faecalisリピドAが適度な免疫活性化能を有し、粘膜免疫と全身性免疫の両方を効果的に活性化する有望なアジュバントであること、このアジュバントを含む経鼻ワクチンは、マウスモデルで病原体に対して優れた防御効果を有することが紹介された。

以上のように、独自の基礎研究を基盤として、アジュバントやワクチン実用化を見据えた研究が報告された。

(2)後半は、「光×質量分析」プロジェクト代表の兼松先生から、フェムト秒レーザーを用いた質量分析イメージング法の開発について、また関連する近年のノーベル物理学賞・化学賞の対象研究について紹介いただいた。

質量分析の初段となる脱離・イオン化の過程を超短パルスレーザーで行うことで、材料表面から放出された電子による静電的・非熱的なイオンの引き抜きが起き、光強度を抑制すればソフトで空間分解能の高い分析が期待できる、とのことである。

 

開発した装置は下図のように、フェムト秒レーザー光の走査照射システムを飛行時間(TOF)型質量分析装置と組み合わせている。波長800 nm, 周期200 kHz, パルス幅160 fsの超短パルス光をXY2軸のガルバノミラーで制御することで試料表面のイオン化ポイントをスキャンし、質量分析イメージングを可能にしている。

 

次の図はパルス光強度を変化させて得たヨウ化セシウム膜の分析結果である。上段はイオンのTOFスペクトル、中段はTOFスペクトルの内、単一イオン過程(赤)、複数イオン過程の1個目(青)、2個目以降(黄)を色分けして示している。光強度を低く制御することでピーク幅が狭くなり、単一イオン過程が支配的となることがわかる。また、下段は空間分布(縦軸)とTOF(横軸)に対してイオン強度をマッピングした図で、いずれのパルス光強度でもイメージング分析に成功している。

光によるイオン化機構には共鳴/非共鳴の多光子吸収、超閾イオン化などがあるが、フェムト秒レーザではその強い光電場による原子ポテンシャルの変形が電子放出を引き起こしているらしい。

また、光と物質に関わる関連研究として、ノーベル賞の対象研究から フェムト秒分光( 1999年化学賞)、光コム( 2005年物理学賞)、超解像蛍光顕微鏡( 2014年化学賞)、 高強度超短光パルス( 2018年物理学賞)、アト秒レーザー( 2023年物理学賞)、量子ドット( 同化学賞)など、歴史から最先端動向まで詳しく紹介いただいた。

Q&Aでは各分野の視点から表面分子の光イオン化の描像や今後の展開への期待について突っ込んだ議論が行われた。また談話会終了後はJ棟3階のミーティングルームに場所を移して懇親会を行い、参加者の交流と親睦を深めた。

(文責:事務局 吉井)


今後の開催予定

 2023年3月13日(水) 第5回FRC談話会
  時間帯・場所:16-18時・南部陽一郎ホール

日時: 2023年11月8日(水)16:00〜18:00
会場: 大阪大学理学研究科J棟 南部陽一郎ホール(オンサイトのみ)
座長:兼松泰男 教授
話題提供:
(1)松本卓也(分野横断プロジェクト研究部門
        マテリアル知能による革新的知覚演算システムの構築
        プロジェクト代表・教授)
(2)越智正之(挑戦的個人研究部門
        波動関数理論に基づく高精度な第一原理計算手法の開発
        プロジェクト代表・准教授)
概要:
(1)前半は、マテリアル知能による革新的知覚演算システムの構築プロジェクト代表代表の松本先生から、神経型情報処理を指向した分子ネットワーク構築に向けた研究活動を報告いただいた。
 まず、物質や材料のネットワークに本質的に内在する計算能力を引き出す「マテリアル知能」の考え方が紹介され、人工知能(AI)の普及により問題となってきた計算爆発を回避する方法論の一つとなりうることが示された。

 次に、神経モデルと物理ネットワークとの対応関係に基づき、マテリアル知能研究において物性科学が目指すべき電気特性の特徴が示された。具体例として、d軌道共鳴トンネル、電気伝導性高分子グレイン間のホッピング、フラーレン超薄膜への希薄ドーピング、ポリオキソメタレートのメモリ効果など、様々な化学系を用いた試みが紹介された。

 それらの中で、湿潤ポリアニリン薄膜のイオン伝導を利用した音声認識が示された。6人の話者による英語のゼロからナインまでの音声識別がすでに成功している。

 最後に、このような研究は分野横断的であり、フォアフロント研究センター(FRC)のような組織が適していること、実際に学術振興会の国際交流拠点プログラム https://nanochem.jp/core2core/ において、FRCにおいた本プロジェクトが日本側センターとして認識され採択されたことが報告された。

(2)後半では、「波動関数理論に基づく高精度な第一原理計算手法の開発」プロジェクト代表の越智先生から、固体における高精度な第一原理計算手法の開発を目指す研究活動を報告いただいた。
 まず、物質中で電子がどのような状態をとるか、そしてそれを理論計算からどのようなアプローチで調べるかについて、基礎からの解説があった。固体の電子状態計算(第一原理計算)における、密度汎関数理論(DFT)と波動関数理論(WFT)という2つの理論的枠組みについて、それぞれの長所と短所が示され、特に本プロジェクトで用いるWFTの特徴を詳しく説明いただいた。

 次に、本プロジェクトで用いる理論手法が、どのようなアイディアに基づくものであるか、またその利点は何か、現在までにどのような物理量が計算できているかについて説明いただいた。本手法では特に、二つの電子の避けあいを記述する「ジャストロウ因子」が重要な役割を果たしている。

 現在は、研究に用いる計算コードをオープンソースで公開しつつ、応用に向けた理論開発を進めているとのこと。最先端の研究の現状や、今後の展望についても紹介いただいた。Q&Aでは会場の参加者から、第一原理計算分野における現在の限界・課題や、将来へ向けた発展の可能性などについて、活発な議論が行われた。
(文責:事務局 吉井)


今後の開催予定

 2023年1月23日(火) 第4回FRC談話会
 2023年3月13日(水) 第5回FRC談話会
  時間帯・場所:いずれも16-18時・南部陽一郎ホール

日時: 2023年10月3日(火)16:00〜18:00
会場: 大阪大学理学研究科J棟 南部陽一郎ホール(オンサイトのみ)
    https://www.sci.osaka-u.ac.jp/ja/nambu-hall/#access
座長:梶原康宏(分野横断プロジェクト研究部門 部門長・教授)
話題提供:
(1)豊田岐聡(センター長、フォアフロント研究部門 部門長・教授)
(2)真鍋良幸(挑戦的個人研究部門
        糖鎖ケミカルバイオロジー研究プロジェクト代表・助教)
概要:
(1)前半は、先端質量分析学研究プロジェクト代表の豊田先生から、質量分析装置の開発からその応用展開に向けた活動を報告いただいた。まずは質量分析の基礎から、阪大独自のマルチターン飛行時間型質量分析計(MULTUM)の開発に至る経緯、そのコンセプトと動作原理、装置設計と、実動作に至るまでの苦労を紹介いただいた。独創的な装置開発の背景には、高分解能を得るためにイオンを周回させ飛行距離を稼ぐ着想、その際に収差が蓄積しないよう周回毎にイオンを初期状態に戻すイオン光学系の設計があり、試作当初は3周しか回らなかったイオンを繰り返し回すための様々な工夫があった。

図1. イオンを8の字形に周回させるマルチターン飛行時間型質量分析計(MULTUM)

 周回に成功すると、その質量分解能は当初目標の数千を大幅に上回る35万以上を達成し、小型軽量でかつ高性能、という新たな領域を開拓する質量分析装置が実現できた。

図2. コンパクトでかつ高性能のMULTUMが狙う領域

 プロジェクトでは現在、この特徴を活かして装置を様々な現場に持ち込むオンサイト分析への展開を進めている。一例として土壌から発生するCO2とN2Oの測定に取り組んだ事例紹介があった。従来は手作業でサンプリングしていた土壌ガス測定にMULTUMを持ち込むことで、2週間の24時間連続測定が実現し、降雨とN2O発生の関係や時間変化を明確に捉えることに成功した。今後は医療や食品、宇宙・地球科学など様々な分野への展開を目指すとのこと。将来的に、地球を取り巻く生態圏の原子・分子を網羅的に解析する「ジオミクス」構想についても話していただいた。

図3. 生態圏を網羅的に解析する「ジオミクス」構想

 Q&Aでは、イオン周回実現のポイントや、応用展開のターゲット、それに向けた課題などについて議論があり大いに盛り上がった。

(2)後半は、糖鎖ケミカルバイオロジー研究プロジェクト代表の真鍋先生から、有機合成を基盤として糖鎖機能の解明と制御を目指す研究活動を報告いただいた。まずはこれまでの研究概要を紹介いただいた。糖鎖は2糖3糖といった比較的小さな糖フラグメントでも機能を持つが、“糖鎖”として複雑な構造を持つことで、多点認識や配座制御などの効果により、機能が複雑化する。さらに、これがタンパク質や脂質と複合化することで、より高度な生体機能制御に関わる。真鍋先生は、こういった高次の糖鎖機能に化学的なアプローチで迫ってきた。すなわち、効率的な糖鎖合成法を開発し、それを基盤として非常に巨大な複合糖質中分子を精密に化学合成し、巨大な糖鎖、複合糖質ならではのユニークな機能の解析と制御を進めてきた。

図4. 高次の糖鎖機能に迫る合成化学的アプローチ

 現在、FRCの挑戦的個人研究部門のプロジェクトでは、特に細胞表層における糖鎖の機能解明・制御を目指して研究を進めている。細胞表層にはグリコカリックス(糖衣)と呼ばれる糖の層があり、膜上でのイベントを緻密に制御している。しかし、その分子レベルでの機能解析はほとんど進んでいない。本プロジェクトで、このグリコカリックスを化学的に編集する技術を開発し、将来的に、細胞表層糖鎖を複雑で制御できない“Undruggable”な対象から、化学的に編集・制御可能な“Druggable”な対象に変え、革新的な糖鎖医薬実現の扉を開くというビジョンを紹介していただいた。

図5. 細胞表層糖鎖機能の解明と制御を目指した化学的アプローチ

 Q&Aでは会場の参加者から、糖鎖機能や糖鎖の応用展開などついて、次々質問があり活発な議論が行われた。
(文責:事務局 吉井)


今後の開催予定

 2023年11月8日(水) 第2回FRC談話会
 2023年12月13日(水)第3回FRC談話会
 2023年1月23日(火) 第4回FRC談話会
 2023年3月13日(水) 第5回FRC談話会
  時間帯・場所:いずれも16-18時・南部陽一郎ホール