世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）
エグゼクティブサマリー（中間評価⽤）
ホスト機関名 ⾦沢⼤学

ホスト機関⻑名 ⼭崎光悦

事務部⾨⻑名 福森義宏

拠 点 名 ナノ⽣命科学研究所
拠 点 ⻑ 名 福間剛⼠

作成上の注意事項︓
このサマリーは、⾃⼰点検評価報告書に記載された内容に基づいて、以下の項⽬についての概要を4ページ以内の記述で作成してください。

I. 概要
ナノ⽣命科学研究所（NanoLSI）では、⽬に⾒えないナノスケールの⽣命現象を可視化し、その基本的なメカニズムを解明する⾰新的なナノプローブ技術の創出を⽬指している。WPI による⽀援の前半５年間では、⾼速原⼦間⼒顕微鏡（HS-AFM）、3 次元 AFM（3D-AFM）、および⾛査型イオン伝導顕微鏡（SICM）など、世界をリードする独⾃のバイオ⾛査型プローブ顕微鏡（BioSPM）技術の機能を拡張した。加えて、さまざまな新しいライブセル Bio-SPM イメージング技術の開発に取り組み、ナノスケールで⽣細胞の細胞内構造、細胞表⾯⼒学の動的変化及び pH 分布を可視化することに成功した。
⼀⽅、Bio-SPM 夏の学校、Bio-SPM 技術共同研究、NanoLSI Visiting Fellows Program など、BioSPM 共同研究を推進するためのシステムを確⽴した。これらのプログラムを通じて、さまざまな国からの多くの研究者が NanoLSI を訪れ、我々の Bio-SPM 技術を⽤いた独⾃のナノバイオイメージング研究を実施した。タンパク質や DNA の HS-AFM イメージング、⽣細胞の SICM イメージン
グなど、得られた成果は、著名な学術誌に掲載されている。現在 NanoLSI は、世界最⼤の Bio-SPM共同研究拠点の 1 つとして広く認識されている。これと並⾏して、新たに開発した⽣細胞イメージング技術の応⽤を積極的に模索し、さまざまな細胞機能とそのがん特異的異常に関し、いくつかの重点研究テーマを設定した。今後５年間これらのテーマに注⼒し、さまざまな⽣命科学研究分野に強いインパクトを与え、ナノプローブ⽣命科学研究分野の確⽴につなげていく。
我々は、ナノ計測学、⽣命科学、超分⼦化学、数理計算科学の 4 つの研究分野の間で融合研究を推進するためのシステムと環境を構築した。アンダーワンルーフというコンセプトを実現するために新たな NanoLSI 棟を建設し、週 1 回の研究会、四半期ごとの成果発表会、年 1 回の国際会議等を定期的に開催してきた。また、若⼿研究者の連携を促進するための所内グラント制度を導⼊した。加えて、国際的な研究環境を整えるために、海外研究者の⽐率を 30％以上に維持し、ロンドンにあるインペリアル・カレッジ・ロンドン（ICL）とバンクーバーにあるブリティッシュコロンビア⼤学（UBC）に計２か所のサテライト研究センターを開設し、毎年国際シンポジウムを東京、ロンドン、バンクーバーおよび⾦沢（オンライン）で開催した。我々の研究所は現在世界的に広く認知されており、国際共著論⽂の⽐率は、WPI 助成期間の前年である 2016 年の 17％から 2020 年には 50％にまで劇的に増加した。さらに、⾦沢⼤学の組織改⾰でも中⼼的な役割を果たした。たとえば、修⼠課程学⽣のためのリサーチアシスタント（RA）⽀援制度や、業績連動型の給与制度の導⼊、NanoLSI と緊密に連携する⼤学院の新設等である。このように、WPI のミッションである，世界最⾼⽔準の研究、国際的な研究環境の実現、融合領域の創出、組織の改⾰の４つすべてにおいて、着実な成果を上げている。
II. 各論１．拠点構想の概要
NanoLSI は、HS-AFM（安藤）、液中 FM-AFM および 3D-AFM（福間）、機能的 SICM（コルチェフ）など、世界をリードする Bio-SPM 技術でよく知られている。加えて、⽣細胞の表⾯および内部の構造、ダイナミクス、化学的および⼒学的特性の分布をイメージングするための新しいナノプローブ技術を開発している。これらのユニークな技術に惹かれて、多くの⽣命科学者が各国から訪れ、さまざまなナノスケールの⽣物学的現象を観察し、その基本的なメカニズムを理解するに⾄っている。かくて NanoLSI は、世界最⼤の Bio-SPM 共同研究拠点の 1 つとして、⾼い評価を得ている。
我々は、Bio-SPM の研究者に加え、⽣命科学、超分⼦化学、数理計算科学で世界トップレベルの研究者を擁している。これらの 4 つの分野が学際的に連携していることも、NanoLSI の際⽴った特徴である。細胞⽣物学（NPC、エクソソームなど）、薬学（薬物代謝）、がんの発⽣と進⾏など、それぞれ深い専⾨知識を有する⽣命科学研究者が集まっており、さまざまな⽣命科学分野で新しい応⽤の開拓につなげている。また、超分⼦化学の知⾒を活かし、分⼦センサーを作製して⾦沢⼤学 – 1
ナノ⽣命科学研究所

ナノプローブに組み込み、⽣細胞周辺の標的分⼦の分布を可視化している。さらに、得られた SPMデータから⽣物現象のメカニズムを理解するために、数理計算科学の専⾨知識も活⽤している。
これらの活動を通じて、融合研究のさまざまな新たな可能性を開拓している。
２．拠点の研究活動
NanoLSI の発⾜後、4 つの異なる研究分野の PI はそれぞれ、国際的にも評価の⾼い進⾏中の研究プロジェクトを継続するとともに、さまざまな新たなプロジェクトにも取り組み始めた。取り組みは、特に⽣細胞を計測するための新しいナノプローブ技術の開発、細胞機能とがんの発⽣と進⾏に関する Bio-SPM 研究、数多くの学外研究者と連携して実施する Bio-SPM 共同研究の 3つに⼤別できる。我々は、これらのプロジェクトを通じて、幅広い⽣命科学研究分野に強いインパクトを与え、ナノプローブ⽣命科学という新たな学問領域の確⽴につなげることを⽬指している。WPI による⽀援の前半期には、345 報の論⽂（国際共著 48％、84 報は IF > 10、109 報はIF > 7）を発表し、国際会議で 199 件の招待講演を⾏い、38 億 4400 万円の外部資⾦（1,000万円以上の助成⾦ 97 件）を獲得した。主な成果を以下の 10 項⽬にまとめる。
[1] ⽣細胞内の 2D および 3D-AFMイメージング技術の開発
⽣きた細胞の中に⻑いナノプローブを挿⼊し、細胞内構造体（核、アクチン繊維など）の3Dイメージングと、細胞膜の内側表⾯のナノダイナミクスの2Dイメージングに成功した。これは、⾼分解能イメージングがin vitro系に限られていた従来のAFMの限界を突破する、⾮常に⼤きな成果である。
[2] ⽣細胞表⾯を計測する技術の開発と応⽤⾼速SICMを⽤いて、細胞表⾯の構造や弾性分布の動的変化を可視化することに成功し、がんの進⾏との関連性を解明した。また、基底細胞膜表⾯の⾼分解能AFMイメージングを10 nm未満の解像度で⾏う⽅法を開発し、STED顕微鏡画像との直接⽐較を可能にした。
[3] ⽣細胞内外でケミカルマッピングするナノプローブバイオセンサの開発
細胞の化学的不均⼀性はがんの特徴である。我々はこのほど、酸素勾配、活性酸素種、ATP、pHなどに対応する様々な新規ナノプローブバイオセンサを開発した。これらのナノプローブは、NanoLSI独⾃の⾼度なSICMに組み込むことができるため、⽣きたがん細胞内外の化学物質をより⾼い空間・時間分解能でマッピングできる点で、⾮常に重要である。
[4] ⾼速AFM技術のさらなる向上
HS-AFMのすべてのデバイスを再開発し、新しい⾛査モードである「Only trace imaging」モードを導⼊することにより、HS-AFMの⾛査性能を従来の約10倍に向上させた。さらには、HS-AFMに凹凸基板やマニピュレータ機能を新たに追加した。これらの改良により、ナノメートルレベルでの⽣命現象がより深く理解できるようになる。
[5] 数理計算科学によるAFMデータ解析技術の開発と応⽤
探針の特性が電⼦構造シグナチャにどのように影響するのか、さらにその分析をどのように有機系に応⽤し得るかを検討した。分解能に限界があるAFM実験の定量的解釈を進めるため、AFMスキャニングによるシミュレーションと、実験画像へのタンパク質原⼦構造の最適なフィッティングを統合するソフトウェアプラットフォーム「BioAFMviewer」を開発した。
[6] 超分⼦化学研究の推進と⽣命科学およびSPMナノ計測への応⽤
未精製の⽣体試料中の1-MNAを定量的に検出する新たなバイオセンサーを開発し、ポリマー結合とSICMプローブによる1-MNAの検出を⾏うことにより、バイオセンサーの感度と選択性の向上を⽬指した。
[7] HS-AFM によるタンパク質、DNA、オルガネラのナノダイナミクス研究
HS-AFM が天然変性タンパク質の構造とダイナミクスの特徴を知るために適したツールであること、また CRISPR-Cas9 によるゲノム編集プロセスを直接イメージングできることを⽰した。
さらに、液-液相分離による液滴状オートファゴソーム前駆体形成に関与する構造を明らかにすることに成功した。
[8] ⽣細胞の機能イメージング
⽣細胞に影響を与えない⾛査⼿順を使⽤してナノスケールのトポグラフィーと QNM を実⾏できることを⽰した。これにより、アクチンフィラメントと微⼩管の薬物誘導性変化におけるナノ⼒学特性の検出だけでなく、⻑時間の QNM も可能となる。
[9] Bio-SPM 技術を⽤いた細胞⽣物学における新たな発⾒細胞外⼩胞（EV）の構造についてより詳細な情報を得るために 3D-AFM フォースマッピングを⾏ったところ、予期せず、シグナル伝達分⼦の不均⼀な存在に関連する可能性のある特徴的な局所的ナノドメインを持つ EV の、不均⼀ででこぼこした構造を明らかにした。また、細胞死の際に、核膜孔バリアの変形や消失が⾒られることや、EV へのドッキング中のインフルエンザタンパク質のコンフォメーションダイナミクスを、HS-AFM により明らかにした。
[10] SPM 技術を応⽤したがん研究の進展と新たな成果
造⾎幹細胞の機能不全や悪性細胞の薬剤耐性に対し、微⽣物叢由来の代謝物やビタミン関連代謝物が⾮常に重要な機能を持つことを発⾒した。この成果をもとに、SPM 技術を⽤いた⼩分⼦化合物の可視化システムの開発に関する異分野融合プロジェクトを推進し、代謝物の病態⽣理学的役割の深い理解につながった。
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ナノ⽣命科学研究所

- New NanoLSI research building and deployment of Bio-SPM
The host institution, Kanazawa University (hereinafter referred to as KU), completed the newNanoLSI Research Building in September 2020. The new building has a total floor area of 6840 m2,consisting of a basement and 4 floors above ground. Features of the facility include 65 scanningprobe microscopes (SPM), 47 atomic force microscopes (AFM), 18 scanning ion conduction
microscopes (SICM), and 6 electron microscopes (one transmission electron microscope, TEM, andfive scanning electron microscopes, SEM). Most of these microscopes are located in the basement.
- 新たな NanoLSI 研究棟の竣⼯と Bio-SPM の配置
ホスト機関である⾦沢⼤学は、2020 年 9 ⽉に新 NanoLSI 研究棟を竣⼯した。新棟の延床⾯積は 6840m2、地下 1 階、地上 4 階建てで、最⼤の特徴は、65 台の⾛査型プローブ顕微鏡（SPM）（原⼦間⼒顕微鏡（AFM）47 台、⾛査型イオン伝導顕微鏡（SICM）18 台）、および 6 台の電⼦顕微鏡（透過型電⼦顕微鏡（TEM）1 台、⾛査型電⼦顕微鏡（SEM）5 台）を配置したことである。これらの顕微鏡のほとんどは地下階に設置されている。
３．研究成果の社会還元- 特許技術に基づく知的財産の活⽤とライセンス状況
NanoLSI 研究者による特徴的な発明は、⾛査型プローブ顕微鏡に関するものである。⾦沢⼤学と NanoLSI はこれらの発明の特許を取得しており、合計 32 の特許技術を保有している。このうち、14 件は国内外の⾛査型プローブ顕微鏡メーカー4 社にライセンス供与されている。
- 外部研究者のためのアウトリーチプログラムと共同研究の進展
NanoLSI は、外部研究者向けのアウトリーチプログラムに重点を置いている。NanoLSI の⾛査型プローブ顕微鏡（Bio-SPM）技術を外部の⽣命科学分野の研究者に紹介・普及し、共同研究につなげることを⽬的として、若⼿研究者向けの Bio-AFM 夏の学校（1 週間）、中堅研究者向けの Bio-SPM 技術共同研究（約 2 週間）、上級研究者とその研究グループ向けの NanoLSI Visiting
Fellows Program（１か⽉程度）を実施している。参加者は公募により決定しており、2017 年度から 2020 年度の間で、合計 121 名の研究者が参加した（73 名の国内研究者と 18 カ国から 48名の海外研究者）。2017 年度以降、これらの活動により、NanoLSI 研究者と外部研究者による共著論⽂が、Bio-AFM 夏の学校では 19 報、Bio-SPM 技術共同研究では 7 報、発表された。
４．異分野融合
我々は、ナノ計測学、⽣命科学、超分⼦化学、数理計算科学の専⾨知識を結集して、ナノプローブ⽣命科学という新たな学問領域を確⽴することを、⼤きな⽬標として掲げている。超分⼦化学と他の分野の融合では、分⼦センサーとデバイスを設計・制作し、それをナノプローブに組み込むことで、特定の標的分⼦やイオンを検出したり、⽣体系に局所的刺激を与えたりできるようにする。Bio-SPM と他の分野の融合では、⽣細胞の表⾯と内部のナノダイナミクスを可視化、分析、操作するための新しいナノプローブ技術を開発する。計算科学と他の分野の融合では、⽣命現象とそのナノプローブ計測、双⽅のメカニズムを解明する。⽣命科学と他の分野の融合では、基本的な細胞機能のナノレベルのメカニズムと、それらに⽣ずるがん特有の異常を解明する。
- NanoLSI 融合研究推進グラント2018 年度より、異分野の若⼿研究者 2 名以上による融合研究プロジェクトに⼀件あたり 50〜200 万円を⽀援する制度を新たに設⽴した。2018 年度から 2020 年度にかけて、92 件の応募があり、63 件の研究プロジェクトを採択、総額 7,280 万円⽀援した。この⽀援の平均助成額は、プロジェクト 1 件あたり約 120 万円であった。各年度末には、NanoLSI の全 PI が、報告書とショートプレゼンテーションをもとにプロジェクトについて評価し、アドバイスの形で⽀援対象者に書⾯でフィードバックしている。この制度は、若⼿研究者が学際的研究のアイデアを具体化し、実⾏に移すための強⼒な後押しとなり、⾮常に効果的であった。
５．国際的な研究環境の実現- 海外から⼀流の研究者を集めるNanoLSIの16名のPIのうち、５名は海外研究者である。そのうち１名はNanoLSIの常勤研究者であり、他の４名は海外の研究機関に常勤しており、１年間に１〜３か⽉の間、NanoLSIに滞在する。
これら４名の海外PIとの共同研究を推進するため、それぞれにNanoLSIの助教を１名ずつ配置している。加えて、海外サテライトである英国のICLとカナダのUBCの２つの研究室には、NanoLSIの資⾦援助により、共同研究を担当する研究員をそれぞれ1名ずつ配置している。
- 海外からのポスドクの採⽤
海外から採⽤したポスドクの数は、2017 年度の 3 名から 2020 年度には 24 名に増加し、全採⽤数に占める割合も 42.9％から 80.0％に増加した。
- 国際研究会議2017 年 10 ⽉の発⾜以来、NanoLSI は 22 回の国際研究会議を開催してきた。 NanoLSI 主催
シンポジウム 6 回、共催シンポジウム 11 回、ワークショップ 3 回を開催し、国内から 1,817 名、海外から 188 名、合計 2,005 名の研究者が参加した。また若⼿向けの夏の学校も 2 回開催し、海外から 24 名、国内から 22 名の研究者が参加した。
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６．組織の改⾰
NanoLSI では、所⻑のイニシアティブのもと、学⻑のサポートを得て、さまざまな制度改⾰を⾏ってきた。主な制度改⾰としては、NanoLSI 専任研究者向けの研究専念制度、業績評価と連動した年俸制度、若⼿研究者向けの融合研究推進グラント、卓越した若⼿研究者を対象とするジュニア PI プログラム、⼤学院「ナノ⽣命科学専攻」設置、NanoLSI 独⽴部局化、トップダウン型の迅速な意思決定を実現するための⾦沢⼤学学⻑と NanoLSI 所⻑のトップリーダー定例会議等が挙げられる。
７．今後の展望
WPI による⽀援前半期に開発した基盤技術をもとに、⽣細胞の表⾯や内部の構造、ダイナミクス、化学的・⼒学的な物性分布を可視化する、新たなライブセル・ナノプローブ技術の開発をさらに進めることを⽬指す。併せて、これらの技術を⽤い、さまざまな細胞機能のメカニズムとそれらのがん特異的異常に関するナノ⽣命科学研究で、インパクトある成果を提⽰することを⽬指す。
具体的なターゲットとしては、核膜孔複合体を介する細胞内輸送、細胞外⼩胞を介する細胞間コミュニケーション、抗がん剤によって引き起こされる細胞応答、がんの進⾏によって引き起こされる細胞⼒学の変化、がんに特異的な代謝物 1-MNA の病理学的な役割、薬剤耐性がん細胞の単⼀細胞診断等が挙げられる。これらのテーマに取り組んでいる⽣命科学分野の PI 達は、各分野で広く知られており、したがって彼らが Bio-SPM の新たな応⽤について学術会議や出版物で発表すれば、多くの注⽬を集めるはずである。これにより、Bio-SPM の応⽤分野を⽣物物理学から分⼦細胞⽣物学、医学・薬学へと拡⼤し、ナノプローブ⽣命科学分野の確⽴につなげていく。
NanoLSI は常に外部に開かれた機関であり、WPI による⽀援後半期および⽀援終了後には、将来の研究計画を実現するため、HS-AFM・液中 FM-AFM および 3D-AFM・Functional SICM など、世界をリードする Bio-SPM 技術の共同・連携研究を通じて新たな外部研究協⼒者を獲得していく。我々は、研究協⼒関係を強化することで、国際的に最⾼レベルの研究成果を⽣み出し、世界的に傑出した研究拠点としての活動を維持することを⽬指す。
８．拠点の⾃⽴に向けた以後５年間（６年⽬以降）にわたるホスト機関の具体的取組計画
⾦沢⼤学は、WPI による⽀援後半期においても、具体的なアクションプランを通じて、予算、⼈事、インフラ整備など、多層的かつ重点的に NanoLSI を⽀援していく。⽀援には、NanoLSI 研究者の⼈件費として年間 4 億円、研究費として年間 6000 万円、研究専念制度の導⼊が含まれ、併せて国際的競争⼒のある給与⽔準も維持される。また、⼤学院「ナノ⽣命科学専攻」の⼊学枠拡⼤、新研究棟の維持管理への優先⽀援、優秀なテクニシャンの雇⽤や常勤事務職員の派遣も含まれる。WPI の⽀援期間を超えて、⻑期的に NanoLSI 研究の中⼼となる研究者を確保するために、⾦沢⼤学は 22 名のテニュア研究者を NanoLSI に配置する。
９．その他特筆すべき事項
NanoLSI の⻑期的な存続のためには、⼤学内の独⽴した研究機関としての NanoLSI の⽴ち位置と⼤学院教育への貢献の相乗効果が重要となる。次世代の NanoLSI 研究者を育成し、NanoLSIと対をなす教育ユニットである⼤学院「ナノ⽣命科学専攻」を通じて博⼠課程の学⽣が NanoLSIの活動に参加することで、研究環境は常に活性化する。⾦沢⼤学と NanoLSI は、⾦沢⼤学基⾦からの奨学⾦の優先的提供や、授業料の全額または半額免除・⼊学⾦免除、またリサーチアシスタントとして雇⽤するなど、「ナノ⽣命科学専攻」の⼤学院⽣にさまざまな形の優遇措置を提供する。

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