研 究 会 ・学 会 スケジュール

編 集だより

第2 5回名古屋メダルセミナー

よく問われる。なるほど表面的に理科をかじっただけ

名古屋大学理学部･ 大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
spring _ summer 2020

38

「生物」と「物理」の掛け合わせは意味があるのかとThe 25th Nagoya Medal of Organic Chemistryでは両者は到底混ざりそうもなく思えてしまう。ところが、

開 催 日 ： 2020年5月29日（金）開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術交流館
主
催 ： 名古屋メダルセミナー組織委員会
共催 ： 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所
問い合わせ ： 伊丹健一郎 トランスフォーマティブ生命分子研究所
nagoya-medal@itbm.nagoya-u.ac.jp／052-788-6098

分子レベルに立ち戻ると、タンパク質は原子・電子が織教授

りなす精密でやわらかい分子機械であることがわかる。
そして、それらが生命活動を支える役者であることを認識する。我々は細胞内のタンパク質分 子たちに、逐

日本 植物形態学会第32回大会

一指令を出すことはしない。ところが彼女／彼らは、見開 催 日 ： 2020年9月18日（金）開 催 場 所 ： 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所
主
催 ： 日本植物形態学会
問い合わせ ： 東山哲也 トランスフォーマティブ生命分子研究所
higashi@bio.nagoya-u.ac.jp／052-747-6404

事に調和しながら自律的に役割をこなしている。電子教授

やプロトンをキャッチボールしたり、長い分 子の紐を綱引きのように引っ張りあったり、あるいは切ったりつ
ないだりしながら。こうしてみると「物理なしには生命

日本 植物学会第8 4回大会

は語ることができない」ように思えてくる。我が国にお開 催 日 ： 2020年9月19日（土）～21日（月）開 催 場 所 ： 名古屋大学豊田講堂、全学教育棟本館、南部食堂
主
催 ： 公益社団法人 日本植物学会
問い合わせ ： 東山哲也 トランスフォーマティブ生命分子研究所
higashi@bio.nagoya-u.ac.jp／052-747-6404

ける生物物理学は名古屋大学で誕 生した。
「生物」と
教授

「物理」にまたがるユニークな特異点として、いまも理の遺伝子を生み続けるホットスポットである。
（倭剛久）

第2 9回有機結晶シンポジウム
開 催 日 ： 2020年9月26日（土）・27日（日）開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術交流館
主
催 ： 日本化学会有機結晶部会
問い合わせ ： 阿波賀邦夫 理学研究科 教授
crystal@chem.nagoya-u.ac.jp／052-789-2487

表紙説明タンパク質・脂質・核酸・糖・アミノ酸など、生命現象において重要な働きをする高分子の有機化合物を生体分子とよぶ。
ナノメートルスケールの世界に生命の不思議を見る。

組織図
理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）
多元数理科学研究科
数理学科

関連施設等

大学院研究科（専攻名）
多元数理科学専攻
理学研究科

附属南半球宇宙観測研究センター

No .38

附属タウ・レプトン物理研究センター
未来材料・システム研究所

物理学科

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究所

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻附属臨海実験所

名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

附属ニューロサイエンス研究センター

広報委員

寺﨑一郎（副研究科長）
嘉村巧（副研究科長）

松尾信一郎（数理学科）
飯嶋

遺伝子実験施設

徹（物理学科）※委員長

川村静児（物理学科）

生物機能開発利用研究センター
環境学研究科

阿波賀邦夫（研究科長）

倭剛久（物理学科）

大木靖弘（化学科）

宇宙地球環境研究所
附属地震火山研究センター

杉山 伸（生命理学科）

事務部

博物館

寺島浩行（生命理学科）

技術部

減災連携研究センター

地球惑星科学科

地球環境科学専攻

spring _ summer 2020
2 0 2 0 年 4月2 4日発 行

特集

夏原由博（地球惑星科学科）

編集発行

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 - 8602 名古屋市千種区不老町
ご意見、ご感想をお待ちしています。
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オリジナルバインダをご用意しました

広報委員会までご連絡ください。

12冊綴じ・透明樹脂製 1部 790 円（送料／消費税込み）

なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

けの郵便振替用紙にてお申し込みください。なお、お申し込
みから配送まで 3週間程度かかりますのでご了承ください。

制作
編集協力
デザイン

08
02

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18
ISSN 1884 _ 8486

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株式会社電通株式会社エスケイワード
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

20

04

03

「理」philosophiaをぴったり綴じ込むことができるオリジナ
ルバインダをご用意しました。ご希望の方は郵便局備え付「ありのままの生体分子の姿を追い求めて」堂前弘樹（事務長）

2308

理学部（学科名）___

タンパク質の姿と動きを直接視る◇ 内橋貴之
拡張アンサンブル法による生体分子系の計算機シミュレーション◇ 岡本祐幸
時を語るもの〈野依良治博士〉◇ 北村雅人
理のエッセイ ◇ 野尻伸一
理の先端をいく ◇ 依田
理学部交差点憲／田中良弥／中澤知洋

時を語るもの◎理のエッセイ

博士から始まる道野 依 良 治 博 士 ＿ 右・左 の 美

野 尻 伸 一 素 粒子宇 宙 物理 学 専 攻 教 授

野依良治博士のノーベル化学賞の原点は、野崎一博士＊1

しい」との天命を受けた野依博士は、分子触媒科学の新の研究室にて取り組んだ「反応機構解明研究」にある。

領域創成に邁進する。共同研究に携わった私には、先生「不斉な銅錯体と結合したカルベンが基質と反応するなの研究姿勢は「真・善・美」として映り、左右にこだわっ

らば右手形か左手形に偏って生成物が得られる。旋光計

た触媒設計は芸術である。
「美」の追求の先にBINAP＊3の針が 右か左に回るはず」と考えて実 験したところ、針が 誕生し、旋光計の針はぐるぐる回った。資源枯渇・環がかすかに振れた。1966年のことである。その 2年後、平境問題が顕在化する現在、野依法の重要性はより一層、

田義正博士＊2の眼にとまり、29歳の若さで本学理学部講高まっている。野依青年の発見から半世紀を経て、分子座担当助教授に大抜 擢される。天然 物有機 化学の世界

触媒科学は今、普遍的技術として確立されるに至っている。

的研究者に「化学教室に一つ違う流れの化学を創ってほ（北村雅人

名古屋大学大学院創薬科学研究科教授）

の

より

りょう

じ

野 依 良 治（1938‐）

名古屋大学教授（1972 - 2003）
名古屋大学特別教授（2004 - ）日本学士院賞（1995）
文化勲章（2000）
ノーベル化学賞（2001）＊1 野崎 一（1922 - 2 019）
元京都大学工学部教授＊ 2 平田義正（1915 - 2 0 0 0）
元名古屋大学理学部教授（本誌 5号P.2、16号P.4参照）＊ 3 BINAP
すべてベンゼン環が結合したC2対称性のホスフィンであり広く世に知られる配位子。

Illustration: Mari Kaneko

文部科学省科学技術・学術政策研究所の資料によれば米国、ドイツ、フランス、
英国、韓国、中国を含めた中で日本だけが博士号取得者の数が減っている。それに連動してか論文数も日本だけが 2006年をピークとして減少している。
博士後期課程に学生が進学しない理由は、（1）他の多くの国ではほとんどの大学院生に給料が支払われるのに対し、日本では経済的な支援を受ける機会が少なく、受けたとしてもその額は少ない、（2）博士号を取った後に研究機関に残れる可能性が低く、企業に行くことも難しい、という2点であると考える。
（1）の点の改善を目指し文部科学省が進めた大学院教育プログラム（GCOEやリー
ディング大学院）に協力してきたが、根本的な解決にはまだほど遠い。
（2）については企業がより積極的に博士人材を採用してくれることを願っている。大学院
で実際に研究することによってのみ自分が研究者に向いているか、また本当に自分が研究者になりたいのかを学生は知ることができる。将来の選択肢が多ければ、安心して博士後期課程に進学することができ、進学する学生も増える。一方、実際に研究を行った経験は企業に入っても役に立つはずである。リーディン
グ大学院の制度を使って企業にインターンシップで送り込み、結局その企業で採用していただいた大学院生が私の研究室には何人かいる。リーディング大学
院の予算はなくなったが、元学生たちが業績をあげ企業の意識を変えるとともに、
将来より多くの博士人材を採ってくれることを期待しており、すでにその兆しを感じている。
また、一旦ポスドクになった者が企業に行くことは日本ではより難しく、これも他の国とは大きく異なる。ポスドクを経た者は研究の経験がより深く、自ら課題を見つけるとともに、それにどのように取り組んで解決していくかを自分で考え◇写真の説明る能力がより高く、企業が正しく使うことができれば有用な人材となる。このこと

左は光 学 活 性 生 成 物の 鏡 像 体 比を精 密についても企業に送り込んだ博士人材の活躍により、企業の意識が変わっていに分 析した高 速 液 体クロマトグラフィー

くことを期待する。

（HPLC）装置。現 在は名古屋 大学 野依 記
念物質科学 研究館 20 01ノーベル賞展示室
ケミストリーギャラリーで公開されている。
上は左右のこだわりを表現したノーベル賞の盾。

02

時を 語 るもの

Shin' ichi Nojiri

1958年京都市生まれ。1986年京都大学大学院理学研究科物理学第二専攻博士後期課程修了（素粒子論）。京都大学基礎物理学研究所非常
勤講師、日本学術振興会特別研究員、高エネルギー物理学研究所非常
勤講師、東京大学教務補佐員、防衛大学校助手、講師、助教授を経て、2006年より現職。専門は素粒子的宇宙論・重力理論。

No.38 spring _ summer 2020

03

特集

ありのままの生体分子の姿を追い求めて

19 6 6 年のS F 映画
『ミクロの決 死圏 』は、あるだろうか。インターネットを検索する（ナノメートル：10 億分の 1m）程度ときわ

ティブな感 覚 で 物 質のかたちを検 知 す

人間の 体 の中でどんなことがおこっているのかを当時の映 像 技 術を駆使して表 現していた。

と世界中の研究者が作製したタンパク質

めて小さいので、当然直接目で見ることることが できる。触 覚 である。タンパク

テクノロジーやコンピューターの進 歩した2 0 2 0 年の現 在、が働く様子を描いた動画を見つけることはできない。このような極微サイズのタン

質のサイズより小さな触覚でその表面をが できる。たとえば DNA複 製の様 子をパク質の構造やふるまいを知るための多なぞってや れ ばその 構 造を知ることが描いた有名なアニメーション動画（URL

種多様な技術が開発されてきた。計測とできるはずである。実際、触覚を原理と後掲）があるが、その動画では、DNAのは外部から対象物に何らかのプローブをし た 原 子 間 力 顕 微 鏡（Atomic Force

二本鎖を解くヘリカーゼやDNA合成を担当てて、測定 対 象により乱されるプロー

Microscopy：AFM）とよばれる顕微 鏡

うDNAポリメラーゼといった複数のタン

ブの反 応を検出することである。プローが 1986 年に発明された。
「原子間力」とタンパク質の姿と動きを直 接 視る

パク質が DNAに結合して整 然と働いてブとして光を使う光学顕微 鏡では、タンいうと何か難しそうな原理を使った装置いる様子が示されており、まさにタンパク

パク質に照射した光の散乱や吸収、波長のように聞こえるが、原理はきわめて単内 橋 貴 之 物質理学専攻教授

質が 分 子機械であることを感じさせる。

変化を検出し、それらからタンパク質の純で、先の鋭い針を試料表面に接触させこのようなあたかも「見てきた」かのよう

位 置や構造の 変化を測定 する。光 学 顕て針と試料の間に働く力から試料の表面な動画はどのようにして作製されたので

微 鏡の空間分 解能は光の回折限界によ

構造を画像 化する。AFMでは鋭い針があろうか。もちろん、タンパク質そのもの

り波長の半分程度に制限されるので、可カンチレバーとよばれる柔らかい板バネを直接見ることはできない。膨大な時間

視 光（400 -700nm）では 1個のタンパクの先に取り付けられており、針先端が試をかけて蓄 積されたさまざまな生化 学

質を直接可視化することはできない。X

料に接触するとカンチレバーがたわむの的・物理的な計測と解析結果を突き合わ

線や電子 線といった波長がnmより小さで、そのたわみをカンチレバー背面に照せて、矛盾のない論理的な帰結が根拠とな波をプローブとして用いればタンパク射したレーザー光の反 射 角度の変化かなっているのである。どの程度真実を表

質の構造を高精度に決定することもできら検出する（図 1）。測定原理から明らかしているのかを知ることはできない。もるが、タンパク質を結晶化する必要やプなように、AFMは溶液中でも動作するこ

しも、直接タンパク質が働いている様子

ローブの 性質から真空 環 境での計 測がとから、タンパク質を生きた状 態で観察を直接的に「視る」ことができれば、タン必要であったりして、溶液環 境下の生きでき、生物試 料の光 学 顕微 鏡や電子顕パク質が機能を発揮するメカニズムを一た状 態でタンパク質を計測することはで

微 鏡 観察で必 要とされる面倒な試 料 の目瞭然に、しかも短期間に知ることができない。これら従来からあるタンパク質

前処理を必要とせず、ナノメートルスケー

きるに違いない。

の観察法は全てプローブとして波を利用

ルの分 解能が比較的容易に得られる。

したものである。つまり、人間の視覚と同

AFMは販売もされており世界中で利生物の 体 内における生体分 子の一挙 手一 投 足を驚くほど 高い分 解能で追 跡することができる。
今 号の 特 集は実 験・理 論の双方から生命を支える生体分 子の挙 動にアプローチする研究の最 先端を案内する。

見えないものを見る技術
タンパク質の 大きさは普 通 10 -50nm

じ原理である。

用されてきたが、欠点は画像化の速度が一方、我々は視覚以外にもっとプリミ

著しく遅いことであった。普通、1枚の画像を得るのに 1分以上かかるので、タンパ
ク質が動いている様子を撮影することはできない。我々のグループでは AFMの高速化に長年にわたって取り組み、100

Takayuki Uchihashi

1970年生まれ。1998年大阪大学工学 研究科電子工学専攻修了。博士（工学）取得。ア
トムテクノロジー研究体・博士研究員、姫 路工業大学工学部助手、ダブリン大学トリニティカレッジ・シニアリサーチャー、金沢大学自然科学 研究科助手、金沢大学理工研究域准教授、教授。2017年より現職。専門は走査型プローブ顕微 鏡の開発と応用、一分子生物物理学。

msで 1枚の画像を取得できる高速 AFMの開発に成功し、今では世界中でタンパ
ク質の動態撮影に使われるようになってきている。以下では、高速AFMで撮影されたタンパク質の動態観察例を二つ紹介

み合いながら精 緻で頑強な生命 現 象を化や基 質の 結合などに応じて柔 軟に変20 種 類のアミノ酸 が 連なった高分 子

織りなしている。タンパク質は単にアミノ

化し、さらには周囲の分子とのダイナミッであるタンパク質の種類は 10万にもおよ

酸が 数 珠 状につながったヒモではなく、クな相互作用を通して機能を発現していぶといわれ、生命活動を維持するためのアミノ酸の種類と結合順で決まる独自のる。タンパク質が働いている様子を描い

さまざまな機能を独自に担い、相互に絡立体 構造を有し、それが周囲の環 境 変

たアニメーションをご 覧になったことがタンパク質の構造とダイナミクス

04

特 集 ＿ ありのままの 生 体 分 子 の 姿を追 い 求 めて

する。

図1

AFMの動作原理

プローブ（探 針）と試 料表面を接触させた際にプローブに加わる力をカンチ
レバー背面に照射したレーザー反射光の角度変化で検出する。

No.38 spring _ summer 202005

特 集_ありのままの生体分子の姿を追い求めて有していることがわかった。また、アンモ問題はミオシンVがどのようにアクチン線

もでき、後足がアクチン線 維から外れた

ある種のタンパク質はレール状タンパ

維 上を移動するのか。さらには、力発生

あとにブラウン運 動でブラブラしながらニアによる化学処理で活性化したセルロー

ク質の上を移動して、細胞内で小胞やさの原理やATPの加 水分 解と運 動との関アクチンを探索しつつ再び結合する様子

スではセルラーゼの分解活性が向上する

まざまな物質を輸送したり、筋肉に代表

係（ATP1個でどれくらい移動するのか）も見ることができる。このように、動画とことがよく知られていたが、その分子メカされるような生体運 動を担っている。こである。ミオシンVのかたちを見るといかしてタンパク質の動きを直接 撮影するこニズムは謎であった。高速AFM観察で、のような運 動機能をもつタンパク質は一にも「歩き」そうである。ところが、単純とで、さまざまな手法を駆使しても決定処理したセルロースでは結晶構造の変化

般にモータータンパク質とよばれる。よくに移動方法に関してだけでも二通りの様的な証 拠が 得られなかった分 子機 構をによって表面に多くの「車線」ができた結知られたモータータンパク質の一つに筋式が考えられる。一つは尺取 虫のように見ただけで即座に理解することができる。

果、セルラーゼ分子の渋滞の影響が低減

肉の収 縮を司るミオシンとよばれるタン

後足がアクチンから離れてから前足と同パク質がある。筋肉の収 縮とはアクチン

じ位置で再び結合するインチワーム方式、とよばれる線維状タンパク重合体に沿っもう一つは後ろ足が前足を飛び越えるハ

セルロースはグルコース（ブドウ糖）がたミオシンの滑り運 動に還元される。ミンドオーバーハンド様 式である。これを直鎖状につながった多糖で、植物細胞壁

高速 AFMはこれまでアンサンブル平

オシンはリン酸化合物であるATP（アデ調べるだけでも、ミオシンVのプロセッシの約半分を占める物質である。地球上で均あるいは静止画としてしか観測できな

ノシン三リン酸）を加水分 解した際に放ブ運 動が 発見されてから実に 10 年以 上

最も豊富に存在する有機物であり、再生かった生体分 子の構造をリアルタイムで出されるエネルギーを利用して構造変化の年月とさまざまな手法を用いた膨大な可能な生物資源（バイオマス）としての利可視化できる今のところ唯一の技術であすることで力を発生しており、化学反 応

研究の蓄積が必要であった。

用が望まれている。セルロースをいかに低る。
「百聞は一見に如かず」の諺通り、動リニアモータータンパク質の歩行運動

セルラーゼの構造されていることもわかった。

分子の「交通渋滞」

セルラーゼが渋滞を起こしている様子

渋滞したセルラーゼによってセルロースの断片が一気に剥離される様子

広がる可能性と力学運動がカップルした典型的なモーアクチン線 維を固体基 板に固定して、エネルギーかつ低コストでグルコースにま画は多くの情報を含み、これまでさまざタータンパク質として、その運 動機 構のミオシンVとATPを観察溶液に入れて高で分解できるかが、セルロース系バイオマ

まな解析手法を駆使して明らかにされて解 明は長年にわたって生物物理 学の中速AFMで観察すると、ミオシンVがアクスを有効利用するための鍵である。しかしきた事実や仮説が 高速 AFMによる１回

心的研究テーマであった。筋肉に限らず

チン線 維に沿ってステップ状に歩く様子ながら、セルロースはきわめて安定な化合の観察によって視覚的証拠として一目瞭

ミオシンは同様の原理で細胞内においてが直接動画として撮影することができた。

物であるため、その分解には強酸や高温、然に検証できるようになった。さらに、そ小胞輸送も担っており、そのうちの一つ

この動画から、ミオシンVがハンドオー

高圧といった過酷な条件下で膨大なエネ

こから新しい事実の発見も可能になった。

にミオシンVとよばれるタンパク質がある。

バーハンド様 式で移動していることがひ

ルギーが必要となる。一方で、自然界におミオシンVの面白い点は 1個の分 子がアと目でわかる。さらに、基板に小さなタン

いてセルロースは、セルロース分解性の微クチン線維に結合すると、長距離にわたっ

パク質分 子をまくことで、これが障害 物生物によって常温、常圧下の温和な環境て一方向へ連続移動運動をすることであとなってミオシンVの移動を減速することでも分解されている。この反応を担っている。プロセッシブ運 動とよばれるこの運動は、蛍光標識したミオシンVを光学顕微鏡で観察することで、蛍光色素の輝点

光学顕微鏡で観察されたミオシンVのアクチン線維に沿った連続運動
ミオシンVの構造

タンパク質の一分子観察にとどまらず
図3

セルラーゼによるセルロースの加水分解運動

セルロース結晶に結合したセルラーゼは平均速度 5. 3nm/sで移動しながらセルロースを分 解する。セルラーゼ分子がセ
ルロース結晶上で停止すると後続の分子が渋滞を起こし、見かけの分 解活性が著しく低下する。

細胞やバクテリアなどのより複 雑な生体
試 料の観察 への応用や光学顕微 鏡との同時 観察も可能な複合機の開発も進んるのが一般的にセルラーゼと総称されるルロースではセルラーゼがモノレールのよでいる。また、針で試 料に力学負荷をか

セルロース分解酵素である。セルラーゼはうに一列に並んで進んでおり、移動したりけるAFMの 特 徴を積 極 的に生 かして、

セルロース結合部位でセルロース結晶に止まったりしている様子が観察された。速分 子の構造を機 械 的に操 作し、その応結合し（図 3）、活性ドメインに取り込んだい分子では7.1nm/sもの移動速度で進み、答を追 跡する試みも行われている。さらミオシンVの詳細な構造は電子顕微鏡にセルロースの鎖を加水分 解しながらセル

平均の移動速度は 5.3nm/sと見積もられ、に、最近では応用範囲は生物分野だけに

よって明らかにされており、二つのアクチ

ロース表面を連続的に移動すると想定さセルラーゼは従来考えられていたよりも実とどまらず、超分子の重合過程や高分子

ン結合部位から伸びたヒモ状の構造（脚）れ、生化学的計測から見積もられたセルは 200倍以上速い速度で移動できること

ハイドロゲルの動的挙動、固体基板へのラーゼの移動速度は 1nm/minと非常にが明らかになった。一方で前を走っている

ミセルの吸 着挙 動といった化 学分 野 へ

遅いものであった。酵素反応の場は固液分子が減速ないし停止すると、後続の分の応用も広がってきている。今後もます

界面であり、かつ、強固な水素結合で形成子が進めなくなるという「渋滞」現象が頻ます応用範囲は拡大するものと思われ、されているセルロースが基質なので、加水繁に起こり、さらに、一定程度の分子が蓄さまざまな科学の発展を支える解析ツー

分解反応が速く進むのが困難は自明であ積すると多数の力によってセルロースは大ルとして活躍することが期待される。

ると理解されてきた。

きな断片として剥離される様子が見られの移動として観察することができる（図2）。

がより合わさった二本脚構造をしている。

高速AFM撮影されたミオシンVの線維に沿った運動

ミオシンVの後足がアクチン線維から外れてから再び結合する様子
図 2 ミオシンVのアクチン線維に沿った歩行運動
光学顕微 鏡では蛍光標識したミオシンVがア
クチン線 維に沿った一方向の移動が蛍光輝点の移動として観察される。高速 AFMではミオシンの動きそのものを可視化することができる。

06

特 集 ＿ ありのままの 生 体 分 子 の 姿を追 い 求 めてカビの一種から精製したセルラーゼのた。このことから、生化学的に見積もられ固体基板上にまいた結晶性セルロース上たセルロースの分解効率は見かけの値ででの挙動を高速AFMで観察した。天然セ

あり、個々の酵素自体は高い分 解活性を生 体 分 子 動 態 機 能 研 究 室 ウェブ ペ ージ

http://d.phys.nagoya-u.ac.jp/

参照動画
DNA複製のアニメーション動画
https://www.biointeractive.org/classroomresources/dna-replication-advanced-detailNo.38 spring _ summer 202007

特 集_ありのままの生体分子の姿を追い求めて
（a2）

（b1）

（b2）

（a3）

（a4）

エネ ル ギー

拡張アンサンブル法による生 体 分 子 系の計算 機シミュレーション（a1）

岡 本 祐 幸 物質理学専攻教授

（b3）

（b4）

シミュレーションステップ数

実 験は実際の生体分子を直接観測す

よく数 時間とか 数日間の現 象を観 測す

共同 研 究 が 普 通に行われるようになっるが、計 算機上では、ニュートンの運 動ているのである。計 算機シミュレーショ

エネ ル ギー

仮想空間での実験とは

図 1 計算機シミュレーション中のポテンシャルエネルギーの「時間発展」

図 2 計算機シミュレーション中の立体構造のスナップショット

リボヌクレアーゼT1というタンパク質の一部である17アミノ酸残基のペプチドフラグメントの結果。
（a）は温度T = 200Kにおける従来のシミュレーション。
（b）は拡張アンサンブル法によるシミュレーション。従来のシミュレーションでは、エネルギーが約 20の幅をゆらいでいるだけなのに対し、拡張アンサンブルシミュレー
ションでは、約 140もの広い幅のエネルギーの酔歩が実現している。

リボヌクレアーゼT1というタンパク質の一部である17アミノ酸残基のペプチドフラグメントの結果。
（a1）
（a4）
は図１
（a）の従来のシミュレーションからのスナッ
プショット。
（b1）-（b4）は図１（b）の拡張アンサンブルシミュレーショ
ンからのスナップショット。
対応するシミュレーションステップ数は（a1）と（b1）は 13
万 8000、（a2）と（b2）は 19万、
（a3）と（b3）は 24万 3000、（a4）と（b4）は 29万 5000。

拡張アンサンブル法の原理がαへリックス構造をつくりかけているが、るが、計 算機シミュレーションは計 算機

方程式を差分方程式として解き、時間スンの強みは、各原子の位置と速度をフェ上の 仮 想 空 間で生体 分 子を観 測する。

テップを 1フェムト秒（10 −15 秒）として、

ムト秒の時間ステップで時々刻々追える

実 験は複 雑な系を扱うことができるが、時 間 発 展を 追って いくので、膨 大なスことであり、仮 想空間上ではあるが、時計 算機が 扱える生体系には計 算機の能

テップ 数の計 算が 必 要になり、現 在の間および空間の超高解 像 度をもつ顕 微

力に限 度 があるので、扱 える系は 比 較スーパーコンピュータの計 算能力ではマ

鏡で観 測した 情 報を提 供 することが で的小さなものになってしまう。たとえば、

イクロ秒（10 − 6 秒）とか 最 長でもミリ秒きることである。筆者らは、素 粒子 物理秒）ぐらいの間に起こる現 象しか学や物性物理学の分 野で開発された拡際の実 験 条 件に合わせて、温 度や圧 力

張アンサンブル 法と総 称され る手 法をなどの環境パラメータの値を固定して実まず 拡 張アンサンブル 法 の原 理を小エネルギー極小 状 態にとどまってしまっ

普 通の実 験 では、10−3モルとか 10−6モルとか（すなわち、10 個とか 10 個と
21

18

（10

−3

観測できない。

シミュレーションステップ数

かの分子数）のサンプルを扱うが、計 算

それでは、計 算機シミュレーションは生体分 子系に導入するとともに、生体分行される。しかし、多自由度複 雑 系では、ペプチドの例で説明する。リボヌクレアーて、長いヘリックス構造ができないのに機 上 で は、世 界 最 大 の スー パ ーコン

生体分 子 系のような多自由度複 雑 系に子系に適した新手法を開発して、さまざ

シミュレーション中に、無数に存 在する

ゼ T1というタンパク質の 一 部である 17

対し、拡張アンサンブルシミュレーショ

ピュータをもってしても 10 個とか 10 個

は全く歯が立たないのかといえば、そう

まな問題に挑戦してきた。

エネルギー極小状 態に系がとどまってし個のアミノ酸残 基からなるペプチドフラ

ン で は、図 2（b1）、
（b2）、
（b3）、
（b4）

の原子数しか 扱えない。また、実 験では、ではなく、現在では、実 験 屋と計 算屋のまうために、誤った結果を出してしまう

グメントは、αヘリックスとよばれる螺旋と時間発 展するにつれて、αへリックス

困 難 がある。言 い 換えれ ば、計 算 機で構造をもっていることが実 験によって知構造とコイル状 態の間を行き来して、幅到達できるマイクロ秒とかミリ秒とかのられている。しかし、従来の温 度一定の広い立体 構造空間をサンプルしているこ

計 算 時間は短すぎて、系が十分に熱 平

シミュレーションを実行しても、αヘリッとがわかる。すなわち、従来のシミュレー

衡に到達できないということである。拡クス構造はできない。それに対し、拡張ションでは一つの状 態にとどまってしま

張アンサンブル 法は 温 度や圧 力などのアンサンブルシミュレーションを実 行すうのに対し、拡張アンサンブルシミュレー

ランダムウォーク（酔歩）を実現することれば、エネルギーが高い時にはコイル状

ションでは、エネルギー（温度）が上がっによって、系の熱平 衡への到達を大幅に態であるが、エネルギーが 下がってくる

た時に熱 振 動 が 増すため、エネルギー

早める。ここで酔歩とは、ある変数の値とαヘリックス構 造 が 形 成され る。図 1

極 小 状 態から脱 出することが でき、幅がシミュレ ーション 中に 上 が ったり下にこれら 2 種 類のシミュレーション中の広い立体 構造空間の効率良い探索が 可がったりを繰り返すことをいう。すなわち、

エネルギーの時間発展を示す。従来のシ能になるのである。

シミュレーション中に温 度を上げたり下

ミュレーションでは、エネルギーが約 2 0

げたりして、室 温のシミュレーションでの幅をゆらいでいるだけなのに対し、拡は一つの状 態にとどまってしまうのに対張アンサンブルシミュレーションでは、

次に拡 張アンサンブル法 の一つであし、温度が上がった時に、熱振 動が増し、

約 14 0もの広い 幅 の 酔 歩 が 実 現しているレプリカ交 換 法 の 適 用例を紹 介 する。

そこから脱 出し、幅 広い立体 構 造 空 間

ることがわかる。そして、この2シミュレー

レプリカ交 換 法では、系のコピー（レプを効率良く探索するのを可能にするのでションのシミュレーションステップ 数 がリカ）と温度の値をそれぞれM個ずつ用ある。拡張アンサンブル法の長所は一回12万から 3 0万に至るまでの間でそれぞ意して、それぞれのレプリカに一つの温のシミュレーション結果から、任意の温れ四つの構造を抽出して図 2に示した。

度値を対応させる。平行して独立な従来

度や圧 力などにおける熱 力学 量を精度

図 2（a1）-（ a4）の 従 来 のシミュレーの温 度一定シミュレーションを実行しなションでは、図 2（a3）でペプチドの左端

がら、一定時間間隔ごとに隣り合う温度

8

9

Yuko Okamoto

08

特 集 ＿ ありのままの 生 体 分 子 の 姿を追 い 求 めて

従来の計 算機シミュレーションは、実

19 5 6 年三重 県尾鷲 市須 賀利町生まれ 。19 75 年静岡県立浜 松北高校卒 業。19 79 年ブラウン大学卒 業。19 8 4 年コーネル 大学 大学 院 修了、Ph . D.の学位を取得。19 8 4−19 8 6 年バージニア工 科大学 博士研究員。19 8 6 年奈良女子大学理学部 助手（19 93 年、助教 授）。19 9 5 年分 子科学 研究 所助
教 授（総合研究大学院大学助教 授併 任）を経て、2 0 0 5 年より現職。専門は生物物理、計 算 科学。

良く計 算できることである。

レプリカ交換法の適用例

No.38 spring _ summer 202009

特 集_ありのままの生体分子の姿を追い求めて対を交 換していく。これによってすべているX 線 回折 実 験 で決定された構造とI I Iaの糖 鎖の構造が大きくゆらいでおり、のレプリカにおいて温 度 空間の酔 歩 が

我々の 予測結果を比較した。実は、7 本

IgGとFcγI I Iaの 糖 鎖同士の 接 触が 失

実 現されて、シミュレーションがエネルのヘリックスの並び 順ばかりでなく、各われていることが示された（参照 動画）。

ギー極 小 状 態にとどまるのを避けるこ

ヘリックスの理想形からの曲がり具合も

この計 算結果により、抗体の糖 鎖からフとができる。

良い一致が得られた。

コース残 基を取り除くことにより、抗 体

一つ目の例は、膜タンパク質の立体 構

二つ目の例は、抗体（免疫グロブリン、の制ガン作用が 促 進される仕 組みの理造予測である。膜タンパク質は細胞膜なIgG）の糖 鎖の構造ダイナミクスに関する、解を深められた。また、本計 算の副産物

どの脂質 2重 膜を貫通しているタンパク

我々が独自に開発した、レプリカ交換分として、構 造 ゆらぎが 大きく、X 線 回 折質であり、膜貫通部分は多くの場合、α子 動 力学（R EMD）法 の 適 用 例である。

実 験 では決定できなかった糖 鎖の一部

ヘリックス構造をとっている。タンパク質

抗体タンパク質は、Fcγ 受容 体（Fcγの立体 構造を決めることもできた。

の動きの観測には前稿の高速 原子間力

I I Ia）とよばれるタンパク質に結合 する

顕 微 鏡 が 有 力であるが、自然の立体 構

ことで機能を発揮する。IgG とFcγI I Ia

造はX線回折、核磁気共鳴（N M R）、電の相互作用には糖 鎖が関わっており、抗本 稿では、筆者らの生体分 子系の拡

子顕 微 鏡などの実 験 で決定され 、プロ体の糖 鎖からフコース残 基を取り除くこ張アンサンブルシミュレーションの結果

テインデータバンク（PDB）に登 録されとによってガン細胞を殺す活性が大きくを紹 介した。はじめに述べたように、こるが、現在、16万個を越えるデータが蓄上がることが知られている。我々は糖 鎖

れらは仮 想 空 間 上のものであり、実 験

積され、無料で公開され、他の研究者のを含むIgGとFcγI I Iaの複合体 のうち、結果を再現できない場合も多い。すなわ

研究に利用されている。ゲノム解 析によフコース残基を含む系と取り除いた系のち、計 算 機 上で 扱う系のエネルギー関

ると各 生命 体 が 合 成 するタンパク質の二つの 場 合において、温 度の酔 歩を実数 が正確でなければ、計 算結果は信用

約 4 分 1は膜タンパク質 であるにも関わ現するR EMDシミュレーションを実行しできないということである。現 在の計 算

らず、膜タンパク質では膜も一緒に結晶た。ここでは、主に糖 鎖の構造ゆらぎをは 古典力学に 基 づ いているが、エネル化 するの が 難しいので、X 線 回 折 実 験

調べた。図 5に計 算の初期構造を示す。

ギー関数の精度を上げるためには、より等で構造決 定をするのが 困難で、PDB

その結果、X線回折実 験の結果と同じよ精度が 高い量子力学に基づく計 算を実のデータはほとんどが水溶性タンパク質

うに、フコース残基が付いた系ではFcγ

行する必 要がある。現在のスーパーコン

（a）

（b）

（a）

（b）

図4

実験結果と計算結果の比較（a）はX線回折実 験で決定された、バクテリオロドプシンの７本の膜貫通ヘリックスの自然の構造（PDB code: 1PY6）。レ
チナール分子も空間充填図で示した。
（b）はレプリカ交 換モンテカルロシミュレーションで予測された構造。両者において、７本のヘリックスの並び順ばかりでなく、各 ヘリックスの理 想形からの曲がり具合も良い一致が 得られた。

図 5 レプリカ交換分子動力学
シミュレーションの初期状態
二つのタンパク質 IgGとFcγI I Iaとそ
れらの糖鎖のレプリカ交換分子動力学
シミュレーションの初期状態。
（a）は PDBデータから構 築したフコー
ス残基（赤色）を含む系。タンパク質の部 分（リボン図 で 青 色と紫 色は IgG、
黄 色は FcγI I Ia）は 5 8 3 個 のアミノ酸からなる。糖 鎖は球の空間充填図で表した。水分子は省略した。
（b）は水分 子も表 示した図。水分 子の数は約 9 0 0 0 個であり、系の全原子 数は、フコースを含む系と含まない系で、それぞれ、9万 6323 個と 9万 6797個であった。

期待される創薬設計への利用のものであり、膜タンパク質のものは全体の数パーセントにすぎない。

ピュータの能力がまだ低すぎるのである。

ば、圧力（と体 積）空間の酔歩を実現す

を計 算 機シミュレーションによってやっ

ただし、計 算 機 技 術の進 歩は絶え間なる拡 張アンサンブル法の開発によって、てしまえば、創薬設計にかかる時間と費

く、これまで、大体 、3 0 年間で約 10 0万タンパク質の高圧変性のメカニズムを解用を大幅に削減できる訳である。

筆者らの考えであった。この問題に我々

倍 の計 算能 力の向上が ずっと得られて明することに成功した。また、薬剤候 補実 験 屋と計 算屋が緊密な共同研究をは大 胆な近似を導入した。すなわち、膜きた。よって、正確なエネルギー関数の分 子とタンパク質の距 離の 酔 歩を実 現繰り広げることによって、生物物理学のの 外 側の水分 子も膜を構成する脂質分

計 算はいずれ可能になるであろう。精度する拡張アンサンブル法を開発すること

分 野の将 来の 発 展はめざましいものに子も省略し、膜貫通ヘリックスだけを考の高いエネルギー関数と幅 広い立体 構によって、どの薬剤候補分子が標的とすなるであろう。

慮した。シミュレーションの操作としては、

造 空 間を探 索 できる拡 張アンサンブル

るタンパク質に 結 合しや すいかを 予 測法を合わせることによって、計 算機上でできるとともに、その結合自由エネルギー

百発百中の実 験 結果の再現が 可能となを高い精度で計 算できるようになった。

ると期待される。

これは、製 薬会 社の 創薬設 計に大きな

実 験 で構造決定 が 難しいなら、計 算（a）機シミュレーションでやろうというのがヘリックスの平行移動と回転、側鎖の構（d）

造 変化、そしてヘリックスのたわみの 4

（b）

（c）

（e）

（f）

種 類である。図 3に バクテリオロドプシ

参照動画
フコース残基を含まない場合と含む場合の糖鎖、IgG、FcγIIIaの複合体のREMDシミュレーション
https://www.nature.com/articles/s41598-01713845-8
中の Electronic supplementary material の 二 つの動画を参照。
フコース残基を含まない糖鎖、IgG、FcγIIIaの複合体の場合（Video S1）
フコース残基を含む糖鎖、IgG、FcγIIIaの複合体の場合（Video S2）ンという７本 のヘリックスからなる系の本 稿では、拡 張アンサンブル 法 の 最

革命を引き起こすと期待している。すな

レプリカ交 換シミュレーションの時間発も基本的な例として、温度空間の酔歩をわち、創 薬においては多くの 薬 剤 候 補

展を示 す。温 度 が 高 い時は空 間的にも引き起こす手法である、レプリカ交換法

分子が標的とするタンパク質に結合するによる結果を紹介した。我々は拡張アン

かどうかを実 験 で決定する必 要がある

サンブル法を他の変数 空間の酔 歩を実（スクリーニングとよばれる）。これには現する手法 へと一般化してきた。たとえ長い 時 間と膨 大な費 用がかかる。これ

理 論 生 物 化 学 物 理 研 究 室 ウェブ ペ ージ

http://www.tb.phys.nagoya-u.ac.jp/

離れるとともにヘリックスが大きく歪むが、低温ではヘリックス同士が会合している
ことがわかる。図 4にPDBに登 録されて10

特 集 ＿ ありのままの 生 体 分 子 の 姿を追 い 求 めて

図3

レプリカ交換モンテカルロシミュレーション中の立体構造のスナップショット

バクテリオロドプシンの７本の膜貫通ヘリックスのレプリカ交 換モンテカルロシミュレーションからの立体 構造のスナッ
プショットの時間発展。温度が高い時〈（a）（、c）（、d）〉は空間的にも離れるとともにヘリックスが大きく歪むが、低温〈（b）、（e）、（f）〉ではヘリックス同士が会合している。

No.38 spring _ summer 202011

理 の 先 端を いく Ⅰ

バイオロギングで解き明かす野生 動 物の行動
依田憲 地球環境科学専攻教授
図1

オオミズナギドリ

春から秋にかけて日本周辺の島 嶼で 繁殖し、子育てが終わると赤道付近まで渡る。形態も行動も海上飛翔に適応しているため、日本 海 側で 繁 殖する個 体 群が南へ渡る際には、弧状の本州が障壁となる。バイオロギングによって、成 鳥は 津
軽海 峡 か対馬海 峡を巧みに通 過してから太平洋を南下する一方、幼鳥は本州上空を飛んで渡っていることが判明した。

図2

オオミズナギドリ親鳥の移動経路

動物装着型GPSによって記 録された移動経路（黒色）。親鳥は繁殖地（黄色）の巣穴で待つ雛のために、巣穴と海洋の採餌場を往復して、カタクチ
イワシなどを運搬する。

我々は世界で初めて人工知能（AI）を搭

無線式の脳神経活動計を頭部に装着し、逆に飛翔行動から風向・風速を推定でき載したバイオロギング装置を開発した（図野鳥の脳内で何が起こっているのかも調

る。こうした情報は人 工衛星からもわか4）。たとえば、ビデオカメラは小型化が必

べたところ、前述のオオミズナギドリの渡るが、細かい情報や沿岸部の情報は得要なことから鳥の場合は数時間しか記録

り行動をうまく説明する神経活動がとらられないので、鳥が現場から報告してくできないが、低消費電力の加速度センサえられた。至近メカニズムについては実れる情報が衛星データの間隙を埋める。

を常時動かしておき、事前に学習した興験室の齧歯類で詳しく研究されているが、実際に、こうした動物データを取り込んで味深い動きをAIがとらえたときのみカメ

野 外 環 境下で自然 淘汰という力学を受（データ同化して）、海況の予測精度が高ラを起動する。この新型の装置によって、けて進化した動 物の大 移動を理 解するまることも示せている。

新しい動物の行動が次々と発見されていためには、実 験 室から飛び出すことも必る。また、大 量の移 動データがあれ ば、要である。

2003 年京都大学大学院理学 研究科より博士（理学）取得。京都大学大学院
理学研究科リサーチ・フェロー、カリフォルニア大学サンタクルズ校Research
Associate、日本学術振興会特別研究員を経て、2007年より名古屋大学大学
院環境学研究科准教授、2014年より現職。専門は動物行動学、動物生態学。

Ken Yoda

空、海、大地を大移動する動物たちの誕生を待つ必要があったからだ。動物に進み、ついにオオミズナギドリにGPSを装着できたのである。

大 移動 する野生 動 物の魅力に取り憑行動学では「野生動物を目で見て観察すかれている。つい最 近も、海上しか飛ばること」が基本となるが、ほとんどの野生ないと思われていた海鳥のオオミズナギ

動物は長時間にわたって追跡することがドリ（図 1）が、本州の険しい山地の上空難しい。

でどちらでも良いが、こうした応用術もあることで、動物の保全や管理に対して新動物の行動は自然環 境の影 響を受ける、と最近はいえるようになった。これら

しい指針を作ることにも貢献している。

るので、バイオロギングで行動を記 録す

は動物の行動を穴が空くほど見ていたか

バイオロギングによって、野生 動物がれば、地球環境に関する情報を抽出できら思いついた研究であって、動物を利用

複 雑に変化 する環 境に柔 軟に対応してる。たとえば海鳥は海上での休息中に海してやろう、などと考えていたら生まれないることがわかってきたが、脳内でどの流に流されるので、GPSで記録された鳥かっただろう。自然に対する敬意が良い

ような情報処理をしているのか、至近的の漂流経路から現場の海流がわかる。ま観察となり、優れた発想を生み、たまにヒメカニズムはよくわかっていない。そこで、た、風を受けて飛翔速度が変化するので、トの役に立つこともあるのだ。

バイオロギングで使われるのは、位置

この観察限界を突 破するために誕 生を記録するGPS（図 2）だけではない。動ことを発見した。翼開長（翼を広げたときしたのが、野生動物に小型のセンサを装物の行動は動きを伴うので、運動を加速の長さ）が 1m以上もある大きな鳥が、人着し、動 物の行動や動 物の 経 験 する環度センサで記録すれば行動を再現できる知れず頭上を飛んでいた（ただし幼鳥の境に関する情報を記録するバイオロギン

し、加速度からエネルギー消費量も推定み）のは驚きである。

グ（Bio-logging）手法である。1960年代できる。また、ビデオカメラを装着すれば、オオミズナギドリの陸上飛翔の発見がに大型のアザラシに水圧計を装着して潜周囲の自然環 境や個体間の社会 性を記

今 世 紀まで遅 れたのは、空 や海 や大 地る深さを測ったことに端を発し、今 世紀

録することができる（図 3）。さらに、これを大移動する野生 動物を追 跡する技術に入って測器 の多様 化と小 型化が急 速らの複数のセンサが効率的に働くように、

図 4 人 工 知 能 搭 載ロガーを背中に装着したウミネコ

図3

アオアシカツオドリの撮影した映 像

ビデオカメラを背中に装 着したアオアシカツオドリによって撮影されたペルーの大地。左下に見えるのはアオアシカツオ
ドリの後 頭部。こうした「動物目線」の情報が、動物行動学を大きく変えつつある。

動 物 行 動 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

理 の 先 端をいく Ⅰ

環境について野生動物に教えてもらう

進歩するバイオロギング

を飛んで日本海から太平洋まで移動する

12

ヒトの役に立つのか、と聞かれる。役に立つために研究しているわけではないの

AIを使って動物の移動を予測することもできる。動物の移動予測をAIで高度化す動物の行動を研究していると、それは従 来 のビデオロガーは、記 録 する時刻を事前に決める程 度の単
純 な 設 定しかできな か った が、機 械 学 習を用いることによって、狙ったシーンを逃さず 撮 影 することが 可能になった。このAIoA（AI on Animals）とよばれる日
本 発 の 技 術 が、バイオロギング分野で注目を集めている。

http://yoda-ken.sakura.ne.jp
No.38 spring _ summer 202013

理 の 先 端を いく

Ⅱ

行動の多様化をもたらす神経メカニズムの探求♂

田 中 良 弥 生命理学専攻助教

♀

♀

♂

♀

♂

(a) タッピング

昆虫が示す行動の 「多様性」と考えられている。私は昆虫が示す行動の前肢でメスの腹部を触る行動を示し、翅を私は幼い頃から昆虫に強い興味をもち、多様性が脳や神経系によってどのように生震わせて求愛歌を奏でる。そして、メスのこれまで飼育や観察を続けてきた。私にとっみ出されるのかに興味を持って研究をして生殖器をなめた後に、腹部を曲げて交尾て昆虫の最大の魅力は「多様性」だと感じいる。

を試みる。これまでの研究から、キイロショている。図鑑を開けば昆虫の色彩や形態

キイロショウジョウバエは遺伝学的な解

ウジョウバエの求愛行動はfruitlessというのバラエティを知ることができるだろう。し析に優れており実験生物として 100年以上

性決定遺伝子が働く神経回路によってかかし、昆虫の多様性は「見た目」だけではの歴史がある。そのため遺伝学的な手法

たちづくられることが知られている。

ない。それぞれの種が示す「行動」にも、が確立されており、行動を制御する神経メ

大きな多様性がある。昆虫にとって「行動」

カニズムについても理解が進んでいる。キは餌や配偶相手を得るために重要である。

イロショウジョウバエのオスはメスに対しショウジョウバエの仲間は、世界に約それぞれの種が行動を巧みに進化させるて交尾に至るまでに定型的な求愛行動を3000種が生息し、それぞれのオスが異なことでさまざまな環境への適応を実現した示す（図1）。まず、オスはメスを見つけると、る方法で求愛行動を行いメスにアプロー

プレゼントを渡すショウジョウバエ

図1(b) 求愛歌♂

(c) リッキング♀

(d) 交尾試行

キイロショウジョウバエの求愛行動

図2（a）オスはメスを見つけると前肢でメスを触るタッピング（矢印）を行い、（b）片方の翅を震わせて求愛歌（矢印）を奏でる。
（ c）その後、メスの生殖器をなめるリッキング（矢印）をした後に、（ d）腹部を曲げて（矢印）交尾を試みる。

図3

Drosophila subobscuraの婚姻贈呈

オスは消化管の内容 物を吐き戻してメスに与える。実 験ではオスに赤く着色した餌をあたえ、婚姻贈呈を観察しやすくしている。
矢印はオスが吐き戻した消化管の内容物を示す。

光遺伝学を用いた神経細胞の強制活性化

光遺伝学は、神経細胞の活動を活性化もしくは抑制する技術であり、今回は前者を用いた。本来は藻類の光受容体で働く「光活性化タンパク質」を特定の神経細胞（オレンジ）のみに遺伝子工学的に発現させる。光を照射するとこのタンパク質をもつ神経細胞のみが活性化されるが、それ以外の神経細胞（灰色）では活性化は起こらない。活性化によって誘起された行動を観察することで、特定の神経細胞がどのような行動を制御しているかを調べることができる。

光照射
脳内の
神経細胞

光照射

図 4 名古屋大学構内で採集したショウジョウバエの一部

活性化

構内にも多くのショウジョウバエが生息している。それ ぞれ の 種 が 異なる環 境に生息しており、種に固有の行動パターンを示す（2 019年 10月採集）。

光活性化タンパク質
あり・なし

チする。私たちが着目したのはDrosophila

験を計画した（図 3）。このために、光の照の違いを生み出していることがわかった。

subobscura（D.subobscura）という種 だ。

射によってこの神経回路が活性化するようさらに解析を続けることで、神経回路のど

この種はキイロショウジョウバエと同属だにゲノムを改変した系統を作製した。このういった変化によって婚姻贈呈の獲得がが、他の種では見られない婚姻贈呈とい系統のオス個体に光を照射して誘起されもたらされたのかを突き止めることができう一風変わった方法でメスに求愛する（図る行動を調べることでfruitlessが働く神経るだろう。

2）。これはD.subobscuraのオスが消化管回路が制御している行動を知ることがでこうした取り組みによって、求愛行動のの内容 物を吐き戻してメスに与える行動

きる。実験の結果、強制活性化によって腹多様化を生み出す神経メカニズム、その一である。メスがプレゼントを食べているう

部を曲げる交尾試行と考えられる行動が端が見えてきた。一方で、昆虫全体では行

ちにオスは交尾を試みる。この種において、誘起された。これは、D.subobscuraにおい

動が記載されている種は少なく、野外でど求愛行動を制御する仕組みを調べてキイてもキイロショウジョウバ エと同 様 にういった行動をしているのかよくわかってロショウジョウバエの知見と照らし合わせ

fruitlessが働く神経回路によって求愛行動

いないものがたくさんいる（図 4）。行動のることで、「婚姻贈呈」の獲得を実現するが制御されていることを示している。これ

多様性について調べるためには、丹念な神経メカニズムを明らかにできるのではなに加えて、消化管の内容物を吐き戻す行動

観察を通して行動を記載し、背景にある生いかと考えた。

も光照射によって誘起された。この結果は、活史や生息環境とのかかわりを理解する

種に固有な婚姻贈呈がこの同じ神経回路

ことが大切であると感じている。今後も、によってコントロールされていることを示唆

こうしたマクロ生物学的な視点と私たちがそこで、光遺伝学とよばれる手法によっしている。すなわち、
fruitlessが働く神経回

これまでに活用してきた神経生物学的手て、
D.subobscuraの脳内でfruitlessが働い

路は「求愛行動の制御」という種間で共通法を組み合わせることで、昆虫が示す行動ている神経回路を強制的に活性化する実した機能を持ちながら、求愛行動の種間の多様性の不思議に迫りたい。

光で神経活動を操作する

Ryoya Tanaka

19 89 年 神奈川県生まれ。2 018 年、東北大学大学院 生命 科学 研究科で博士（生命科学）を取得。日本 学 術振興会特別研究員DC1、同PDを経て、2 019 年より現職。
2 019年時実利彦記念神経科学優秀博士研究賞。専門は神経生物学、行動遺伝学。

脳 回 路 構 造 学 グル ープ ウェブ ペ ージ

14

理 の 先 端をいく Ⅱ

http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~NC_home/index2.htm
No.38 spring _ summer 202015

理 の 先 端を いくⅢ

雷からのガンマ線を
高エネルギー宇宙物 理 学 者の視 点で探る程度なので、遠隔動作型の検出器を多数支配する物理量である。たとえば雷雲そデルがまだ確立していないのである。雲設置し、待ち伏せする。衛星用装置を開のものから数分にわたって継続する「雷中の電 場測定は難しく、「雷ガンマ線で発する我々は、小型、軽量、低消費電力

雲ガンマ線」の起源は、宇宙線などに起雲中電場が測定できないか」と逆質問さで高性能な検出器の専門家であり、2006

因する0.2−1MeVの高エネルギー電子が、れてしまったほどである。

中 澤 知 洋 素粒子宇宙起源研究所准教授

年から始めて現在では 26 個の検出器を

電離 損 失の壁をすり抜ける「逃走電子」

そう、雷雲は自然科学の最も身近な未金沢や新潟に設置している（図 4）。

となり、30MeVまで加速されつつ雪崩増

踏領域、フロンティアなのである。身近な最近の観測で我々は、下向きのTGFが幅で劇的に数を増やすためとされる。宇ものであるからこそ、その仕組みを物理

雷放電に伴って 30MeV（メガ電子ボルト）に達す

地上に降り注ぎ、原子核を光核反応で破宙で広く観測される磁場を中心とする加的に解明し、放 射線 被曝量や放電の仕る高エネルギー光子（ガンマ線）がやってくることに壊して高速中性子と陽子過剰核を生む過速機構と全く異なる仕組みで、大変興味

組みを知ることが重要である。火山でも人類が 気づいたのは 1990 年ごろである。宇宙の高程を、初めて観測的に明確にとらえた。冒深い。しかし、すぐそこにあるにも関わら惑星大気でも雷が起きている事実から、

エネルギー現象を探るガンマ線天文衛星が、地球側

頭のガンマ線の被曝量はレントゲン写真ず、どこに加速領域があり、どのような電宇宙においてもいろいろな場面で活躍しから到来する突発ガンマ線（Terrestrial Gamma-の 0.5回相当と、驚くほど高い。人類は雷場強度で、どのくらいの増幅率なのかすている可能性があり、高エネルギー物理

ray Flash：TGF）を多数観測し、雷放電と同期してガンマとともに暮らしてきたのだから健らまだ解明できていない。雪崩増幅はしとしても大変興味 深い。我々は今、大気いることが 発見されたことで 1990 年代後半以降に康を害する量とはいえないが、そもそも、

ばしば 不安定になるものなのに、上昇気

物理、気 象学などの 研 究 者との 連 携に広く知られるようになった。1MeVは電子を100万V

去年になるまでこの現象に人類が気づい

流によって刻々と帯電する雷雲の中で、な

よって、放電、ガンマ線、気象レーダーやで加速したエネルギーで、30MeVともなると原子核ていなかった事実こそが驚きである。

ぜ安定して放射を続けているのだろうか。

シミュレーションを組み合わせて、雷の気 象学や大気物理の研究者に話を聞謎を解明しようとしている。雷観測専用いたところ、（ガンマ線は当然として）実衛星（図 5）の打ち上げも近づいており、雷ガンマ線とは反応すら引き起こす（光核反応とよばれる）。雷ガン
マ線は約 30MeVに加速された電子から放射される。

電子の加速と増幅の仕組み

雷雲の電 圧は 1億ボルトにもなるが、常 温の世界の

私が最も興味をもっているのが、雷ガは放 電の 物理すら不明 確であることが雷ガンマ線の物理に大きく迫れると期待

電子を大気 圧中で電場加速するのは電離損失のぶ

ンマ線の静電場加速の仕組みと、これをわかった。驚くことに、定 量的な物理モしている。

厚い壁が邪魔で不可能とされてきたため、この発見は大きな驚きを与えた（図 1、2、3）。

人工衛星（上空約500km）

宇宙

雷ガンマ線観測に適した日本
私はX線・ガンマ線での宇宙観測を専門とする高ガンマ線エネルギー宇宙物理学者であるが、雷ガンマ線にも+の日本海岸は雷が活発で雷雲の高度が低く、地上から雷ガンマ線がよく検出される世界でも珍しい場所

雲頂高度6km（冬）～
12km（夏）である。それでも、一地点で一冬に一回検出できる

-

-

-

-

強電場域

-

-

-

+

-

図2

Kazuhiro Nakazawa

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理 の 先 端をいく Ⅲ

1974年生まれ。東京大学理学部卒（1996）、同大学院卒（2001）。博士（理学）。2001年
宇宙科学 研究所助手、2007年東京大学理学系研究科講師、2018 年から現職。専門は高エネルギー宇宙物理学実験。

図1

雷放電

雷放電は静電気とは異なり、開始から終了まで数百ミリ秒かかる複雑な現象である。積乱雲中をステップを踏みながら放電が進展してゆき、これが地上などに達したところで、大電流を解放して稲光と大音響を巻き起こす。
©️Yuuki Wada

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図3

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を行っている。日本は、雷ガンマ線大国である。冬季

ガンマ線

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興味をもち、国内外の共同研究者とともに観測研究

図4

雷雲ガンマ線のエネルギースペクトル

地 上に設 置した雷 雲ガンマ線 検 出器で観 測。10MeVを超える
ガンマ線は、3 0MeVに達 する電子からの「制動放 射」でよく説明できる。エネルギーが高いため、電子陽電子対生成や、光核反応も起きている。

地上検出器

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地表

地上設置の雷雲ガンマ線検出器

3 0 ㎝四方の、耐候性のある箱に収められている。透過力の高いMeVガンマ線を検出するために、検出器は密度の高い結晶シンチ
レータを用いており、小型低消費電 力な回
路 基 板を用いて小型化を果たした。モバイ
ルルーターを使って遠隔から監 視・運 用している。冬 の嵐の風で 飛ばないよう、錘をつけている。

雷雲からのガンマ線放射の概念図

積乱雲の中で氷晶などが摩擦で帯電し、上昇気流の力で雲中に大きな電場がかかる。この強電場域の中で、何らかのメカニズムで継続的に電子が 3 0MeVまで加速され、ガンマ線を放射する時がある。特に雷放電の過程で一時的に強電場域が生まれ、そこから突発的なガンマ線が出ることがあり、これがTGFの起源とされる。TGFは長らく衛星から観測されてきたが、観測体制が確立されたことで、近年、地上でも確認されるようになった。

高 エ ネ ル ギ ー 天 文 学 グル ープ ウェブ ペ ージ

図5

雷ガンマ線 観測衛星TAR ANIS

2 02 0 年 6月にフランスCN E Sにより打ち上げ予定 。著者もそのガンマ線装置の開発の手伝いをしている。 ©️CN E S

http://www.u.phys.nagoya-u.ac.jp/uxgj.html
No.38 spring _ summer 202017

理学部交差点
同窓生からキャンパス通信書籍紹介

科学の専門家と、科学を「伝える」専門家

無限から無限を引いて無限で割ったら、無限か『目に見える世界は幻想か？
物理学の思考法』

名古屋市科学館
学芸課天文係 学芸員

多元数理科学専攻准教授

生命理学専攻助教

松尾信一郎（ Shinichiroh Matsuo）

寺 島 浩 行（ Hiroyuki Terashima）

中島亜紗美（ Asami Nakashima）
名古屋市科学館で天文学の学芸員として働き始め「第 6回高等研究院シンポジウム」が 2020年 1月

私は、物理学は好きだが数式は苦手というタイて、早 7年になる。プラネタリウムの暗闇が私たちの14日に開催された。
「専門性と学際性の狭間で」をプである。高 校で 学 ぶ 物理が、数 式の羅 列と計仕事場だ。50分間の生解説に原稿はない。季節ととテーマとして、学内の理工系の若手 研究者 7人に算ばかりで退屈だった人は多いかもしれない。本もに移ろいでゆく星空の下、伝えたい話題は日々変よる講演と座談会が行われた。登壇者の一人として、

書は、まさにそういった人たちに向けた物理学入わっていくからだ。それに、用意された台詞には魂が報告したい。

門書になっている。物理学は、この世界がどのよないように思う。もちろんよく使う定型句のようなもの

そもそも、高等 研究院シンポジウムの目的は、うな法則で動いているのか理解しようという学問はあるけれど、多用すると言葉が死んでしまう。そらと、学んできた科学を一般の方に伝える活動だ。自本学の研究の最先端を文系理 系問わずに全学になので、数式で表すのが最も適しているのだと思んじるだけの言葉には表情がないのだ。ドーム内に分は人とコミュニケーションをとるのが不得手だと思っ向けて紹介することにある。しかも、今回の重点はう。しかし本 書では、あえて数 式・図表を使わず座る人々の反応を想像しながら、「伝えたい」と感情ていたのだが、これがやってみると非常に楽しい。タ

「学際 性」だ。ところが、筆者は数学者である。専に言葉だけで物理学とその歴史について描き切っを込めて言葉を紡いでいくことで、やっと生きた言葉

イミング良く故郷で学芸員の募集が出て、天に任せる

門性の極みのような数学を研究している私は、何ている。

を届けられる気がしている。科学をわかりやすく説明

ような気持ちで応募したところ、就職が決まって現在をどのように話せばよいのだろうか。登壇依 頼は

本書では、世界がどのような仕組みで動いていするだけでなく、その面白さや素晴らしさを感じてもに至る。当初目指した研究者にはならなかったが、天気軽に引き受けたのだが、発表の準備の段になりるのかについて、これまでの物理学の歴史をたどらえるよう咀嚼して伝えるのが私たちの仕事だ。

文学を仕事にできたのは幸運だったし天職だと思っ途方に暮れた。結局、頭をひねりにひねって、「無りながら、古典力学から量子力学、重力から宇宙ている。

限から無限を引いて無限で割ったら、無限か」と論まで解説してくれる。受験物理では、物理現 象

学してからだったと思う。新入生ガイダンスで「学芸ちなみに名古屋大学と名古屋市科学館は、講演会

題して、筆者三十代前半の研究テーマを「無限」を示す法則については学んでも、それを解き明か員資格」というものがあることを知った。頭に浮かんを共催するなど仕事上の関わりも深い。専門知を生みへの興味という観点から整理して紹介した。望外した人物について思いをはせることはまれかもしだのは、私に宇宙の奥深さを教え、天文学の道へと出す大学と、それを市民に伝える科学館は互いの強の好評をいただき、安堵した。数学の講演への期れない。しかし実際には、皆誰しも自然や物理現

誘ってくれた名古屋市科学館のプラネタリウムだった。

みを活かしあえる関係だと思う。学生時代につながっ

待 値が 低いことが、逆に幸いしたのだろう。座談

象をつぶさに観察し、自分自身の常識と物理現 象「この資格があれば、プラネタリウムの解説者になれた人の縁を大事にしながら、これからも科学の普及

会では、数学者として、物理学者との共同研究のの現実の狭間で苦 悩・奮闘してきたのだ。そうとるかも」と、6年掛かりで必要単位を集めた。

に努めていきたい。

経験に基づき、数学のような孤高の学問における

思うと、物理学がより身近に感じられるのではな（素粒子宇宙物理学専攻、2010年修士（理学）名古屋

学際研究の困難と魅力について話した。

いだろうか。ニュートンの変人エピソードを読めば、学芸員を進路として意識したのは名古屋大学に入けれど、当時の私にとって学芸員は選択肢の一つ

絵の具を何も考えずに混ぜたら汚い灰色になっ完 璧な人間なんていないのだと親 近感を覚える者を目指して迷わず大学院に進んだ。3年間お世話にてしまう。原色の鮮やかさを際立たせ、配色の妙かもしない。本書を読んだ後には、自分 が当たりなった物理U研 赤外線グループでは気球 搭載 望遠

で新しく美しい色を生み出すことが、専門性と学前だと思っていたことをもう少し深く考えてみるきっ鏡の姿勢制御を担当した。自分が書いたプログラム

際 性の狭間でもがくときの憧れの矢であろう。そかけになるのではないだろうか。もしかしたら常に従って巨大な望遠鏡ゴンドラが姿勢を変えるのはのとき、数学とは、無限に広がる真っ白なキャンバ

識を覆す新しい発見ができるかもしれない。

大変面白かったし、気球打ち上げのために出張した

スではないだろうか。

に過ぎなかった。天文学を仕事にしたいからと、研究

大学）

ブラジルでの1カ月は貴重な海外経験となった。ただ、修士課程の途中で指導教官が他大学へ移られたため、どこの博士課程に進もうか改めて考えて、憧れの国立天文台で学ぶために東京大学に進学した。私の勝 手な選択を受け入れてサポートしてくださった芝『目に見える世界は幻想か？
物理学の思考法』

井先生、金田先生には感謝しかない。
そこからの 3年間、学業の傍ら国立天文台のアウトリーチ活動に参加していたのが今の仕事につながっている。望遠鏡で天体を見せたり、研究紹介をしたり
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理学部交差点

当館プラネタリウムの学芸員（左から髙羽幸 ＊、持田大作、毛利勝廣 ＊、
野田学 ＊、小林修二 ＊、筆者 ＊、稲垣順也 ＊）。7人中 6人（＊印）が名古屋大学理学研究科の出身（2018年 7月撮影）

松原隆彦（Takahiko Matsubara）著
光文社新書／ 2017年 2月発行
780円
（税別）

No.38 spring _ summer 202019