研究テーマ(B) 【バイオメディカルナノサイエンス・デバイス研究開発】

1) 生体ナノシステムの動作原理に基づいた新規バイオナノデバイスの創成と医学研究への展開

[研究概要]
生命現象の本質の一つとして、"数個から数10個程度"の少数の要素分子から構成されるナノシステムが"協同的"に動作することが挙げられる。これまで、1分子計測を中心とした"単分子"の素過程を観察した例は数多く報告されているものの、"少数分子間"で生まれる協同性の素過程を生きた細胞内において解析した報告は"皆無"であり、少数の要素分子が如何にして極めて高い協同性を生み出すのかについては全く分かっていない。少数分子が協同的に反応することで、出力の安定化に寄与する一方、分子の少数性に起因する不安定な出力も起こり得る。この反応の曖昧さが、ひいては、階層を越えたマクロな生命システムの動作安定性と一部の動作不安定性に結びつく可能性があり、生命の動作原理を理解する上で、極めて重要な観点といえる。しかしながら、細胞内における少数の分子反応を扱う理論が未整備であったことに加え、少数分子の細胞内挙動を操作し計測する技術も無かったため、これまでほとんどアプローチされてこなかった。
そこで本研究課題では、このような少数分子からなる生体システムを実験に供し、理論を構築するために、@小数多体型の計測と制御を可能にする基盤技術開発研究、Aモデル生命現象に@で開発した技術で切り込む解析研究、B得られたデータをもとに、1分子系と多分子系のギャップを埋める少数分子系理論の構築、ならびにその理論を再構成系で検証する研究を推進する。 さらに、実際の「ありのまま」の状態での高精度計測による検証から、細胞、臓器、身体の各層に固有の機能の創発の原理解明への方途を拓く。
本研究課題では、非線形光学、MEMS工学、蛍光化学、合成有機化学、タンパク質工学、細胞生物学、システム生物学、数理科学の諸分野を融合し、技術開発系と実験系、理論系の専門家が手を組み、従来とは異なる視点で生命現象にアプローチする。とくに、少数の生体分子からなる化学反応システムにおける分子間の協同性、超コヒーレンス、自己組織化、ポアソン性、エルゴード性、多階層間相互作用などの観点からのアプローチを進める。本研究課題で扱う生命現象は、真核生物、原核生物の差や、臓器間差によらぬ普遍的現象であることから、生命現象一般における機能創発原理を説明しうる統一的原理の提出を目指す。また、得られた知見について、がんなどの様々な疾患や病理状態をモデルとして比較検証を行うことを通じて、医学的な応用も視野に入れ研究を推進する。
[オーガナイザー]
 根本 知己 (北海道大学電子科学研究所教授)
[共同研究教員]
 小松崎 民樹 (北海道大学電子科学研究所教授)
 玉置 信之 (北海道大学電子科学研究所教授)
 西野 吉則 (北海道大学電子科学研究所教授)
 石島 秋彦 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 佐藤 俊一 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 高橋  聡 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 稲葉 謙次 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 久堀  徹 (東京工業大学資源化学研究所教授)
 中谷 和彦 (大阪大学産業科学研究所教授)
 永井 健治 (大阪大学産業科学研究所教授)

2) 次世代メディカル・バイオ機能材料への展開を指向した生体分子素子技術の開発

[研究概要]
協同的に多彩で極めて優れた機能を発現している生体分子素子。その分子レベルでの機能ならびに機能発現・制御原理の解明、そしてその基礎的知見に基づく新規材料創製が、自然負荷の少ない次世代機能材料系構築の点からも注目され、現在最も重要な研究課題の一つとなっている。本目的を達成するには、生体分子素子ならびに素子を統合したシステムに対する分子ナノレベルの、そしてマクロレベルでの機能・機能制御原理解明に供する新規観測・測定システムの開発が必要となる。さらにこれらの情報に基づき、論理的かつ効率的に生体素子を機能材料として応用展開するためには、ナノレベルでの知見をマイクロ・マクロレベルに展開する設計戦略の構築、この戦略に基づく生体素子を対象とした高度な化学修飾法等の開発や、その特性解明法の構築が必要不可欠である。 本研究課題では、生体素子に基づく新規機能性材料創製、とくに次世代メディカル・バイオ機能材料への展開を指向した先導的研究を以下の2つのテーマに大別し推進する。
 @ 生体分子素子を活用した次世代メディカル・バイオ機能材料の創製
本研究では生体分子素子を、機能材料、特に次世代メディカル・バイオ機能材料創製のキーコンポーネントとして捉え、分子素子およびその統合システムの分子レベルでの機能/機能発現・制御機構解明、この知見を踏まえ化学修飾法などを駆使することにより多彩な機能を有する次世代メディカル・バイオ機能材料創製を実現するため先導的研究を推進する。
 A 次世代メディカル・バイオ機能材料の機能解明・評価システムの開発
本研究では、高空間時間分解能を有し、細胞内、生体内のような夾雑系で標的とする分子素子/分子素子集合体などを、ターゲット選択的に高感度計測できるシステム構築に関する先導的研究を推進する。
[オーガナイザー]
 和田 健彦 (東北大学多元物質科学研究所教授)
[共同研究教員]
 百生  敦 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 矢代  航 (東北大学多元物質科学研究所准教授)
 荒木 保幸 (東北大学多元物質科学研究所助教)
 坂本 清志 (東北大学多元物質科学研究所助教)
 居城 邦治 (北海道大学電子科学研究所教授)
 中谷 和彦 (大阪大学産業科学研究所教授)
 丸山  厚 (九州大学先導物質化学研究所教授)

3) 生体機能物質の機能および制御の解析とバイオデバイスへの応用

[研究概要]
生体機能分子の機能及びその制御の解明は、生命科学の重要な研究課題であると同時に、化学がその物質開発力をライフサイエンスに対して大きく展開を図る上でも極めて重要なトピックスである。本共同研究では資源化学研究所のレーザー分光、生化学及び高分子化学のグループが対応教員となり、最新のレーザー分光法、質量分析法や顕微鏡法などの精密測定技術、分子生物学と生化学によるタンパク質の解析技術、さらに、精密合成高分子による生体内薬剤・イメージング分子送達システムなどの先端的な技術と研究力を生かし、低分子側と生体高分子側の両面から分子認識のメカニズムの解明とバイオデバイスへの応用を目指した共同研究を行う。
[オーガナイザー]
 藤井 正明 (東京工業大学資源化学研究所教授)
[共同研究教員]
 久堀  徹 (東京工業大学資源化学研究所教授)
 田中  寛 (東京工業大学資源化学研究所教授)
 西山 伸宏 (東京工業大学資源化学研究所教授)
 中林 孝和 (北海道大学電子科学研究所准教授)
 松田 知己 (大阪大学産業科学研究所助教)

4) バイオデバイス構築のための材料・プロセス・計測システム開発

[研究概要]
バイオデバイス創成の基盤となる材料・プロセス・計測システムを開発し、新規バイオデバイスの有効活用を図るための環境づくりを目指す。そのために、幅広い領域からの研究を公募し、全体として有機的に結びついた成果が得られることを目標とする。
対象として、@バイオデバイス材料創成、A生体環境応答機構の解明、B核酸関連デバイス、Cビームによるがん治療システムの構築に関する項目について、拠点のネットワーク・設備を活用して研究を推進する。
[オーガナイザー]
 吉田 陽一 (大阪大学産業科学研究所教授)
[共同研究教員]
 笹井 宏明 (大阪大学産業科学研究所教授)
 古澤 孝弘 (大阪大学産業科学研究所教授)
 真嶋 哲朗 (大阪大学産業科学研究所教授)
 谷口 正樹 (大阪大学産業科学研究所教授)
 磯山 悟朗(大阪大学産業科学研究所教授)
 和田 健彦 (東北大学多元物質科学研究所教授)
 丸山 厚 (九州大学先導物質化学研究所教授)
 小松崎 民樹(北海道大学電子科学研究所教授)

5) 分子分解能解析に基づくバイオ分子集積・ソフト界面構築と細胞操作技術への応用

[研究概要]
一分子レベルでの観察および計測技術は、先端的顕微鏡技術と超高感度CCDカメラの発達によってその解析対象の範囲を拡大し、様々な分子集積体や界面材料の設計における分子分解能での基礎知見を与えつつある。このような分子分解能の科学はナノバイオサイエンスの発展のみならず、工学材料設計との密接な連携によって今後の分子基礎科学と新規機能性材料の構築の分野に対しても極めて重要な貢献をなすものと期待される。本重点課題では、この『分子分解能の科学』を基盤とした新たなバイオ分子集積体およびソフト界面の機能的構築に取り組むとともに、その生体材料応用を目指した細胞操作技術の開拓を進める。一分子観察・計測に基づく分子分解能解析技術を駆使し、〜DNA/リガンド複合体系、水中分子集合体、人工膜系、および細胞行動制御基材など〜の開発と分子基礎科学の拡充を目指す。
[オーガナイザー]
 木戸秋 悟 (九州大学先導物質化学研究所教授)
[共同研究教員]
 丸山  厚 (九州大学先導物質化学研究所教授)
 高原  淳 (九州大学先導物質化学研究所教授)
 金原  数 (東北大学多元物質科学研究所教授)