研 究 会 ・学 会 スケジュール

マクロな視点で現象を捉えることが多い生命科学は、異なる

開 催 日 ： 2019年11月18日（月）・19日（火）開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念学術記念館
主催 ： 新学術領域研究「植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム」
名古屋大学研究大学強化促進事業「最先端情報分子・植物最適行動
統御ユニット」
問い合わせ ： 木下俊則 トランスフォーマティブ生命分子研究所 教授
kinoshita@bio.nagoya-u.ac.jp／052-789-4778

学問に分類されるものの、時として切り離すことが難しい。本

統合物質創製化学 研究推進機構
第5回国内シンポジウム「物質創製化学のフロンティア」
開 催 日 ： 2019年11月18日（月）・19日（火）開 催 場 所 ： 北海道大学創製科学研究棟（予定）主催 ： 統合物質創製化学研究機構
名古屋大学物質科学国際研究センター
問い合わせ ： 山口茂弘 トランスフォーマティブ生命分子研究所
yamaguchi@chem.nagoya-u.ac.jp／052-789-2291

号の特集では、化学と生命科学にまたがる境界領域から、「化学の力を使って生体物質をどのように欺き操るのか」に主眼を置いた最先端研究を、２人の気鋭の研究者から紹介していただいた。紹介の場となった理学懇話会は、名大祭最終日の方々から数多く寄せられて大変に盛況であった。懇話会の教授れた名大理学部広報ビデオを上映した。音楽を交えた 2分の【名古屋大学理学部】好奇心に、駆られろ。-- Spark your curiosity
https://www.youtube.com/watch?v=YwPQlRn6v3c

表紙説明

IRCCS the 3rd International Symposium

RNAやタンパク質といった生体物質は、生命活動において重要な役割を果たす。
化学者はめざす機能を引き出すために、

開 催 日 ： 2020年1月31日（金）・2月1日（土）開 催 場 所 ： 名古屋大学野依記念物質科学研究館
主
催 ： 統合物質創製化学研究機構
名古屋大学物質科学国際研究センター
問い合わせ ： 山口茂弘 トランスフォーマティブ生命分子研究所
yamaguchi@chem.nagoya-u.ac.jp／052-789-2291

さまざまなトリックを施す。鮮やかな手わざによるマジックショーが始まる。
教授

No .37

RHIC・LHC実験におけるクォーク･グルーオン プラズマの現象論と実験

Quark Gluon Plasma Phenomenology and Experiments at RHIC and LHC
開 催 日 ： 2020年3月10日（火）～12日（木）開 催 場 所 ： 名古屋大学ES総合館理学シンポジア
主催 ： 名古屋大学素粒子宇宙起源研究所
問い合わせ ： 野中千穂 素粒子宇宙起源研究所 准教授
nonaka@hken.phys.nagoya-u.ac.jp／052-789-2866

広報委員

阿波賀邦夫（研究科長）
嘉村巧（副研究科長）

松尾信一郎（数理学科）
飯嶋

徹（物理学科）※委員長

川村静児（物理学科）

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）

大木靖弘（化学科）

素粒子宇宙物理学専攻

化学科

物質理学専攻生命理学科

生命理学専攻名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

倭関連施設等

杉山 伸（生命理学科）

附属南半球宇宙観測研究センター

寺島浩行（生命理学科）

附属タウ・レプトン物理研究センター

夏原由博（地球惑星科学科）
齋藤勝行（事務長）

未来材料・システム研究所
素粒子宇宙起源研究所
物質科学国際研究センター
附属臨海実験所編集発行

附属構造生物学研究センター

本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。
広報委員会までご連絡ください。

生物機能開発利用研究センター
地球惑星科学科

地球環境科学専攻

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。

附属ニューロサイエンス研究センター
遺伝子実験施設

環境学研究科剛久（物理学科）

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。

宇宙地球環境研究所
附属地震火山研究センター

事務部

博物館

技術部

減災連携研究センター

制作
編集協力
デザイン

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

ISSN 1884 _ 8486

2308

理学研究科

autumn _ winter 20192019年10月31日発行

寺﨑一郎（副研究科長）

組織図

物理学科

18 _ 理学部交差点

一度ご覧いただきたい。
（大木靖弘）

統合物質創製化学 研究推進機構第3回国際シンポジウム

洋

02 _ 時を語るもの〈大貫義郎博士〉◇ 棚橋誠治
_ 理のエッセイ ◇ 佐藤憲昭
0312 _ 理の先端をいく ◇ 石井 亮／植田美那子／藤原慎一

Youtubeに公開されている広報ビデオを、読者の皆さんにも開 催 日 ： 2019年12月5日（木）開 催 場 所 ： 福岡国際会議場（福岡県）
主催 ： 新学術領域研究「性スペクトラム」
問い合わせ ： 田中 実 理学研究科 教授
mtanaka@bio.nagoya-u.ac.jp／052-789-2979_

生命をだまして薬をつくる◇ 阿部_
08
酵素を欺く分子化学◇ 荘司長三

開始前と休憩時間には、広報委員会の主導で新たに作成さつけ、懇話会の参加者を増やす一助になったと考えられる。

日本分 子生物学会ワークショップ「性の連続性（性スペクトラム）をもたらすエピゲノム・代謝・染色体」

多元数理科学専攻

04

映像に凝縮された名大理学部の魅力は、聴衆を十分に惹き

6th Korea-Japan workshop on Dark Energy at KMI

数理学科「 化学のマジックが生体物質をあやつる」の参加者を集めただけでなく、内容をよく捉えた質問が一般

開 催 日 ： 2019年12月3日（火）～5日（木）開 催 場 所 ： 名古屋大学ES総合館コロキウム室
主催 ： 名古屋大学素粒子宇宙起源研究所
問い合わせ ： 市來淨與 理学研究科 准教授
ichiki@a.phys.nagoya-u.ac.jp／052-789-2801

大学院研究科（専攻名）

特集の日曜午後に開催され、高校生から一般の方々まで124人も第6回韓国・日本共同暗黒エネルギーワークショップ

多元数理科学研究科

37

主に分子・原子レベルで物質を扱い解釈する化学と、やや植物の環境応答 研究の最前線

Frontiers in plant environmental response research

理学部（学科名）

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］
autumn _ winter 2019

編 集だより時を語るもの◎理のエッセイ

研究の始まりは人との出会いから

大 貫 義 郎 博 士 ＿ 素 粒子 物 理 学 における U（3）対 称 性の 発 見
大貫義郎博士は、素粒子物理学に 3次元ユニタリー対議（高エネルギー物理学国際会議、ICHEP）で報告され、称性（以下、U（3）対 称性）を導入したことで知られる。

多くの研究者から注目された。その後U（3）対称性は、ゲ

また、坂田昌一博士（1911‐1970）らとともに、当時、名ルマン博士らによって八道説（Eightfold Way）として素古屋大学の大学院生だった益川敏英博士や小林誠博士

粒子の現象論的分類に活用され、坂田模型の改良としてらを指導した。

のクォーク模 型発見の手がかりとなった（ゲルマンはこ

1955年に名古屋大学で提案された坂田模 型は、画期の業績でノーベル物理学賞受賞）。

的な素粒子模型であったが、確固とした予言を行うため対称性と保存則の考え方、あるいは数学の言葉では「群の理論が当時は整備されていなかった。大貫義郎博士ら論」の考え方は、現代物理学においてもっとも強力で普は、1959年、坂田模型にU（3）対称性が存在することを遍的な道具になっており、大貫義郎博士らのU（3）対称発見し、対称性を用いて坂田模型を解析することを可能性の発見は、この考え方に先鞭をつけたものと言えよう。

とした。この発見は、1960 年に開かれたロチェスター会（棚橋誠治

佐 藤 憲 昭 物質理 学 専 攻 教 授

おお

ぬき

よし

お

大 貫 義 郎（1928‐）
名古屋大学教授（1971 ‐1992）
名古屋大学名誉教授（1992 ‐）Illustration: Junichi Kishi

定年退職まで1年半。私の研究を方向づけた3人の同僚との出会いが昨日のこと

素粒子宇宙物理学専攻教授）のように思い出される。
重い電子系研究のパイオニアであるフランク・シュテーグリッヒさんと最初にお会いしたのは、私が大学院生だった1982年頃であったと記憶している。それが縁で、ダルムシュタット工科大学やゲッチンゲン大学で海外講演デビューを果たす機会を得た。1991年に彼らが発見した磁性超伝導体は東北大学の助手であった私の主要研究テーマとなり、彼が初代所長を務めたマックスプランク固体化学物理研究所に客員研究員として滞在した1998年から1年の間に超伝導発現機構に関する論文をまとめ上げた。彼との出会いがなかったならば、私の研究業績は半減していたに違いない。
超伝導発現機構のアイディアは、一時帰国した際に立ち寄った大阪大学（当時）の三宅和正さんとの議論によって生まれた。三宅さんとの議論は今でもかけがえのないものである。
帰国後まもなく名古屋大学理学部に移った私は、2011年、準結晶研究のパイオニアである北海道大学（当時）の石政勉さんから価数揺動準結晶発見の報を受けた。
この年は準結晶発見者にノーベル賞が授与された年でもある。それ以来共同研究を積み重ね、準結晶初の量子臨界現象（2012年）や超伝導（2018年）を発見するに至った。石政さんとの出会いがなかったならば準結晶との出会いもなかったであろう。
三宅さんも石政さんも名古屋大学教養部での同僚であり、お二方とも大学を定年
退職後、豊田理化学研究所のフェローとなった。30年の時を経て期せずして再び名◇写真の説明左は 1960 年ロチェスター会議の論文集と「対 称 性 理 論 事 始」。U（3）対 称 性 発見の経緯は、大貫義郎博士が 1989年に広島大古屋に集った私たちは、価数揺動準結晶という新分野開拓に挑戦している。縁とは
実に不思議で面白い。
偶然の出会いによって始まった研究ではあるが、学生や同僚に恵まれたおかげで、

学 理 論 物理 学 研 究 所（理 論 研）で 行った成果の1つが英国物理学会誌において「2018年10大ブレークスルー」に選ばれるなど、

講 演「素 粒子論における対 称 性理 論の展

いくつもの幸運に巡り合うことができた。彼らとの出会いに心から感謝したい。

開」をまとめた記録「対称性理論事始」（素
粒子論 研究、1991年）に詳 述されている。
上は1963年ごろのE研（素粒子論研究室）。
黒 板 前が大貫義 郎博士。その左が 坂田昌
一博士。

02

時を 語 るもの

Noriaki Sato

1955年宮城県生まれ。1984年東北大学大学院理学研究科博士後期課程修了（理学博士）。名古屋大学教養部助手、東北大学理学部助手、マック
スプランク固体化学物理研究所（ドレスデン）客員研究員、名古屋大学
大学院理学研究科助教授を経て 2007年より現職。専門は物性物理学。

No.37 autumn _ winter 2019

03

特集

化学のマジックが生体物質をあやつる

生命 活動の鍵を握るR NAやタンパク質は、化学 者と生物学 者 がともに扱う生体 物質である。

つくられているのか詳しく見てみましょう。

胞をだまします（図 2）。普 通の細胞も当が、これとは逆に「本来あるタンパク質

物質のマジシャンたる化学 者は、生体 物質を偽 装させたり、すりかえたり、誤 作 動させたり、皆さんタンパク質はアミノ酸がつながっ然 DNAを持っておりmRNAに変 換しタをつくらせない」というやり方もありまさまざまなテクニックを使って、めざす 機能を引き出そうとする。

てできていることはご存じかと思います。

ンパク質をつくっています。ここで外からす。この本来 あるタンパク質をつくらせメチオニン、セリン、フェニルアラニン、グ

DNAを入れると、やはりmRNAに変換さないでなくしてしまうという方法はRNA

リシンといったアミノ酸 が連 結 することれてタンパク質をつくり出すことができまinterference（RNAi）とよばれています。

でタンパク質はでき上がります。ここに挙す。また外からmRNAを入れることでも先ほどお話ししたタンパク質の配列情報

げられているアミノ酸はそれぞれ全く違

同じことができます。このシステムを使うを持っているmRNAの 働きをRNAで阻う化学 構造を持っており、これらの連結ことで本来はつくられないタンパク質を害するという仕組みで、もとからあるタン

生 命をだまして薬をつくるの順番つまりアミノ酸配列がタンパク質細胞の中でつくらせることができ、これ

パク質の生産を止めることが できます。

のかたち、そして機 能を決 めています。

まで治せなかった病気の治療ができるよタンパク質の生産を止めることで治せる

阿部ではアミノ酸 配列はどのようにして決め

うになります。たとえば筋ジストロフィー

病気として癌があげられます。癌は細胞られているのかというと、じつはmRNAという深 刻な病気があります。この病気を増殖させる作用が止まらなくなった状

がその順番を指定しています。アミノ酸は本来あるべき遺伝 子が壊れて筋肉の態です。細胞の中でどんどんタンパク質はトランスファーRNA（tRNA）とよばタンパク質がつくられなくなるものでありが 過 剰生 産されて無 秩 序な状 態でどんれる短いRNAと結合しており、tRNAが普通の薬では治りません。逆にいえば「つどん成長し、健康な細胞を圧迫してしま

mRNAの指定通りにアミノ酸を運びつな

くられていなかったタンパク質を供給 す

うのが 癌 細 胞で す。これ は 細 胞の中でげていきます。メチオニン‐セリン‐フェ

れば 病 気を治すことができる」というこ

DNA→RNA→タンパク質というセントラ

ニルアラニンというタンパク質を例にとるとです。これを「リカバリー」とよびます。

ルドグマの流れがものすごい速さで起ことまずメチオニンが運ばれます。続いてセ本来つくられるべきタンパク質がつくら

りタンパク質がどんどんできている状 態

リンが運ばれメチオニンと結合し、さられない病気は筋ジストロフィーの他にもです。よって癌細胞の成長を止めるにはにフェニルアラニンが運ばれセリンと結あり、しばしば深刻なものとなります。外タンパク質をつくらせないようにし、この合します（図 1）。

からDNAや mRNAを入 れることで、細流れを断ち切る必 要があります。そこで胞の中で つくられなくなっているタンパ

登場するのが 外から入れたRNAによるク質を供給 することが 可能となり、病気

RNAiです。これによってタンパク質が過を治すことができます。

剰につくられる流れを止めます。そうする

今 回の懇 話会では、そのトリックの一端を2人の 気 鋭の研究 者 が 解き明かす。
（2 019 年 6月16日、第 2 9 回理学 懇 話会より）

洋 物質理学専攻教授

タンパク質の生成をコントロールする
ではこういった細胞の仕組みをどのよ

Hiroshi Abe

DNAからmRNA、そしてmRNAからタ

今回、私がお話しするのは、最先端のという分 子がつくられ、最終的にタンパ

ンパク質という流れをどのように利用し医療で使われるDNAやRNAを使った薬

ク質がつくられるという流れがあります。

て薬をつくるのか、そしてそれを実現すの話です。まず細胞の中で何が起こってこの流れは生物学ではセントラルドグマ

るためにはどのような技術が必要なのかいるのかということからお話しします。

とよばれており、うまくコントロールするというのが今回の私のお話になります。

細 胞 の 中には 遺 伝 物 質、DNA が あり、ことによって薬をつくることができます。

まずタンパク質とは何でどのようにして

04

特 集 ＿ 化 学 のマジックが 生 体 物 質をあやつる

こ れ ら の 治 療 法 は「DNAや mRNAとタンパク質が生産できずバラバラになっか。簡単にいえば外から人 工的につくっを入 れ ることで つくられて いないタンてしまうため細胞は増殖できず癌の成長

たDNAやmRNAを入れることにより細パク質をつくらせる」というものでした

を抑える、つまり癌を治療できるようにな

1972 年 生まれ。20 01年、北 海 道大学 大学院 薬 学 研究 科博士課 程修了。マサチュー
セッツ工科大学博士研究員、スタンフォード大学博士研究員などを経て、2013年、北海道大学大学院薬学 研究科准教授、2015年より現職。

DNAからメッセンジャーRNA（mRNA）

細胞の中でのタンパク質のつくり方

うに利用すれば薬をつくれるのでしょう

図1

タンパク質の正体

タンパク質はピンク色の四角で示したアミノ酸が連結したものであり、連結の順番＝アミノ酸配列によって機能が変わる。このアミノ酸配列はmR NAによって指定されておりmR NAの指定をもとにtR NAがアミノ酸を運んでくる。

図2

外から入れた核酸（DNA / RNA）でタンパク質をつくる細胞はmRNAの情報をもとにタンパク質をつくるので外からmRNAそのものや、mRNAをつくるDNAを入れてやるとそこに書かれている通りのタンパク質をつくる。これを利用して病気を治す試みが行われている。またRNAを入れて他のmRNAを妨害するRNAiも知られておりこちらも医療応用されている。

No.37 autumn _ winter 201905

特 集_ 化学のマジックが生体物質をあやつる

トでもあります。RNAが 安定せ ず、すぐ酵 素であり任 意の 配 列をつくることがDNA/RNAを細胞に入れるために

以 上、二通りの方 法、つまりタンパク

なくなってしまうことはデメリットですが、できません。このことは薬を設 計 するう

必要な工夫

質がなくて困っている病気にはタンパク

一方ですぐになくなってくれるため薬のえで問題となります。

質をつくらせる核酸を投与し、タンパク投与戦略を立てやすいということになり一方 で 我々化 学 者は DNAやR NAをのような仕組みで働くのか、そしてどのよ

質ができすぎて困っている癌のような病ます。つまり核酸医薬は持続的に効果を化 学 合成によりつくることが できます。

うにつくるのか説明してきました。では核

気にはタンパク質をつくらせない核酸を発揮するために定期的な投与を必要とし

たとえばホスホロアミダイト法とよばれ酸を元にした薬を使う場合、問題点はな投与することで病気を治すことができま

ますが、RNAが 悪さをした場 合 や副 作

る合成法があります（図 3）。この方法でいのでしょうか。実 際に核酸を薬としてす。これ がタンパク質の 生 成をDNAや用が出た場合、投与をやめればすぐにそは樹脂の上にDNAを固定し 1つずつ 伸

使う場 合、細胞に振りかけることになり

R NAでコントロールし 病 気を治 療 するの悪影響を止めることができます。

ばしていきます。コピー元のDNA配列をますがここで 細胞の防 御 機 構が問題と写し取るのではなく、試 薬を加える順番なります。細胞にとって人工的につくったルフィドで架橋されており非常に丈夫な望み通りのによって 配 列を指 定 するため自由に配外来のDNAやRNAは異物ですのでこれ構造をしています。この髪の毛のジスル

核酸を使った医薬品の開発では分 子

DNA/RNA配列をつくるために列を設 計 することが できます。よってホらが細胞に入ってくることを防ぎ、撃退す

フィドを利用するのがパーマです。パー

構造を眺めながら化学修飾などを使って

ります。

方法です。

遺伝子治療と核酸医薬

これまでDNA/RNAを使った薬がど

DNA/RNAを使った医療の今後

核 酸を使った医 療 についてもう少し

DNA / R NAをつかった医薬品がどの

スホロアミダイト法を利用することで望る防衛機構が備わっています。細胞の膜マをかけるときは薬剤によってジスルフィ

効率の良い医薬品を設計することが重要

詳しい話をしていきます。DNAを使う方ように働くのかは理 解してもらえたと思

み通りのDNA配列の作成が 可能となりはこの防衛機構の１つでバリアの役割を

ドを還元反応によって切断し、かたちをとなります。不安定なRNAを使う核酸医法は「遺 伝 子治 療」とよばれています。

います。では 肝心 のDNA / R NAはどうます。

果たします。解 熱 鎮痛 剤として有名なア

整えてから再度 酸 化 反 応によってつな薬では効果を持続させるために定期的な

DNAは情報の保持に適した化学物質でやってつくるのでしょうか。それを理 解

全く同じ方法でR NAも化学合成する

スピリンは小さな低分子化合物であり細ぎ直すことで髪の毛を整形します。我々投与が必要と先に言いましたが、これもあり、安定に存在するため治療の効果がするためにまず細胞の中でどうのようにことができます。私の研究室には核酸の胞膜をすんなりと通ることができます。一の研究室でつくった核酸はジスルフィド

適切な化学修 飾を入れることでRNAを持続します。つまり遺伝 子治療は一度行して DNA / R NA がつくられているのか

自動 合 成 機 があって配 列をコンピュー方で核酸は大きな分 子ですのでなかな

ユニットとつながっており、これが 細 胞

安定化しほどよく長い時間効果を発揮す

うと生きている間は体の中で薬の効果がを見てみましょう。細 胞の中ではDNA /ターに打つだけでその通りの配列を持っか細胞に入ってくれません。このように小表面のタンパク質とジスルフィドを介しる核酸医薬をつくれます。

続きます。最 近テレビやインターネット上

R NAポリメラーゼとよばれるタンパク質

た DNAやR NA がつくられます。しかしさな分 子のみを通 過させるのが 細胞 膜て結合し、細胞内に入り込 みます。このタンパク質を細胞内でつくらせるRNA

で「ゲノム編集」という言葉を聞いたことが 核酸をつくっています（図 3）。ポリメ

ながらホスホロアミダイト法にも弱点がの役割です。

ためジスルフィドユニットをもつ核 酸はは合成が難しいことからまだ医薬品としがあるかと思いますが、これもDNAを細ラーゼの名前の由来は「酵 素の力でポあります。長いDNAやR NAをつくるこ

私の研究 室では細胞に入りやすい核

ただ単に細 胞に振りかけただけででもては実現していませんが我々研究者はこ胞の中に入 れ 持 続 的な効 果をもたらす

リマーをつくる」という意 味 から来ていとができないのです。任意の配列をつく酸の研究をしており、最 近とても効率よ

効果を発揮します。これが最近我々の研れを解決すべく日々研究を続けています。

技術です。一度の治療で薬の効果を持続ます。つまりDNAポリマーをつくる酵素

れないけど長いDNA / R NAをつくれる

く細胞に入る核酸をつくることができま

究 室で発 明した細 胞 膜を通り抜けられ少しずつですが 前進はしており最近アメ的に起こすことができるのは大きなメリッ

が DNAポリメラーゼ、R NAポリマーを酵 素と任 意の配 列をつくれるけれどもした（図 4）。専 門 的 な言 葉を 使 います

る 核 酸 であり、Membrane Permeable

リカのModernaというベンチャー企業がトですが、これは同時にデメリットでもあつくる酵 素 が R NAポリメラーゼとよば長いDNA / R NAを合成できない化学合が、この核酸はジスルフィドユニットとよOligoNucleotideと読 んで います。私 た

5 億ドルの投資を受けて上場したというります。例えば投与したDNAが悪さをすれているわけです。これらのポリメラー成をうまく組み合わせることで双方の弱ばれる化合物とつながっています。身近

ち は 頭 文 字 をとって「MPON（エ ム ポ

ビッグニュースがあったことからも期 待ることがあり、体の中の遺伝 子をつくり

ゼは長いDNA / R NAを非常に高い精度点を克 服し 薬となるDNA / R NAをつくにあるジスルフィドとしては髪の毛が 挙ン）」とよんでいます。

が大きいことがわかってもらえるかと思変えてしまうことがあります。こういうこで つくることが できます。一方 でどちらることができるようになります。

げられます。髪の毛はタンパク質がジスとが起こってしまった場 合、持続的な効も鋳 型となるDNAの配 列をコピーするいます。このような最先端の医療は現時点ではまだ高額になってしまいますが研果をもたらす遺伝 子治 療では対処 が 非究が進むにつれてコストが下がり皆さん

常に難しくなります。

のもとに届く日もそう遠くないかもしれま

一方でRNAを使った方法は「核酸 医薬」とよばれています。核酸 医 薬では二通りの方法で病気の治療を行います。1つ目は遺伝 子治療と同じく外来のRNAによってタンパク質をつくる方法、そして 2
つ目は RNAiを利用してタンパク質の生産を止める方 法です。RNAは DNAと違い非常に不安定な物質ですので、遺伝子治療とは対照的に核酸医薬の効果は持続しません。これはメリットでありデメリッ

せん。

図 3 核酸の酵素による合成と化学合成
ポリメラーゼを使うDNA/ R NAの 合 成 方 法 はコピー元となる鋳型 DNA が 必 要となる。このためオリジナルの配列をつくることができない。一方でホスホロアミダ
イト法による化 学 合 成 では図の反 応を 繰り返 すことで 1 個 ず つDNA/ R NAをつくっていく。ホスホロアミダイト法を使うとオリジ
ナルの配列をつくることができるが合成できる長さに限界がある。
これら 2 つをうまく組み合わせることで長くてオリジナルなDNA/R NA配列をつくることができる。

図4

生 物 有 機 化 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

06

特 集 ＿ 化 学 のマジックが 生 体 物 質をあやつる

ジスルフィドユニット修飾R NAの細胞への取り込み

DNA/ R NAを細胞に取り込ませるためには細胞の防衛機構を突 破する必要がある。我々の 研 究 室ではジスルフィドユニットをもつR NAを合成し、このR NAが細胞表面のタンパク質と結合して効率的に細胞に取り込まれることを発見した。右の図においてジスルフィドユニット無しのR NAは細胞に入り込むことができなかったが、ジスルフィドユニット付きのR NAは細胞に取り込まれたことが蛍光色素の分布からわかった。

http://biochemistry.chem.nagoya-u.ac.jp/
No.37 autumn _ winter 201907

特 集_ 化学のマジックが生体物質をあやつる

酵素を欺く分子化学
荘 司 長 三 物質理学専攻教授

図2

シトクロムP450BM3の反応の模式図応部位）に鍵（基質）がしっかりとはまっの肝 臓にも存 在している金 属酵 素です

酵 素は 2 0 種 類あるアミノ酸 がペプチた場 合にのみ反 応が 起きるとするのが（図 1）。P450は、反応性の低いC-H結合

ド結合で連結されたタンパク質です。た一 般 的な考え方 で す。私 たちの 研 究グにヒドロキシル基（OH）を挿入する水 酸

とえば、私 たちの 唾 液 に含まれ る消 化

ループは、「酵素を欺く」という新しい概化反 応などの難 易度の高い酸化反 応で酵 素のアミラーゼは、49 6 個のアミノ酸

念の酵 素 利用法を開発 することで 酵 素あっても、室温で反 応を行うことができが 連なって 構 成され る生体 触 媒 で、デ

反 応の常 識を覆し、酵 素に本来の対 象ます。P450は、私たち人間だけではなくて、行うことができます。しかし、P450BM3

P450BM3はC-F結合を水 酸化すること位の残った空間に第二の基質が取り込ま

ンプンの特定の結合を選 択 的に切断し化合物とはまったくことなる構造の分 子

ウマもヒツジもバクテリアも植物も持っは長 鎖 脂肪酸を高効率に水 酸化できるが できません。P450BM3 は、長 鎖 脂 肪

れ 、2 つ の 分 子 が 取り込まれ た状 態 をます。アミラーゼは分 解する対 象を正確を反応させることに成功したのでご紹介ています。その中で私たちが研究ターゲッのですが、長 鎖 脂肪 酸 以外 の基質とは酸が取り込まれるとスイッチが「ON」のP450BM3が長鎖脂肪酸が取り込まれたに認 識して選 択 的な反 応を行っているします。

トとして選択したのは、巨大菌とよばれほとんど反応しません。

状 態になって活 性状 態になり長 鎖 脂肪と勘違いした場合、ベンゼンやプロパン酸の末端部分を水酸化します。長鎖脂肪などの第二の基質が水酸化されるだろう

酸とは構造が異なる基質、たとえば、ベと予想していました。

酵素反応と基質選択性

長鎖脂肪酸分子を結合したシトクロムP450BM3の結晶構造

取り込まれた長 鎖 脂肪酸のアルキル末 端は活 性中心（ヘム）の近傍に存在し、水酸化される。

るバクテリアが持っている長鎖脂肪酸をため、グルコース単位がつながっている
結合以外を切断することはできません。

図1

シトクロムP450

水酸化するP450BM3です。P450BM3は、

このような酵 素の基質選 択 性は、「鍵と私たちが研究対 象としている「シトク非常に活 性が 高く、長 鎖 脂肪 酸の水 酸

鍵穴」関係で説明され 、鍵穴（酵素の反ロムP450 (P450)」という酵素は、私たち

化 反 応を1分 間に 1万 5 千回転の速さでP450BM3を欺く分子

ンゼンやプロパンが P450BM3の活性部

このようなアプローチで用いるPFCを、巨大菌にとっては意味のある反応と考え位に取り込まれても、P450BM3のスイッ

私たちは「デコイ分子」と名付けました。

られますが、私たち人間が物質変換反応

チは「OFF」の状 態のままなので何も起

デコイは狩猟するときにカモなどをおびに利用する観点ではあまり魅力的な反応

こりません。構造が長鎖脂肪酸に非常にき寄せるために使う鳥の模型で、本物のとはいえません。したがって、P450BM3

似ているけれども酸 化されないPFCのカモにそっくりにつくられているけれどもは活性も高く酵素としては潜在的な可能場合には、P450BM3のスイッチは「ON」

偽物であることから、偽物の基質をデコ

性はあるけれども、そのままでは使えなの状態になるけれども、水酸化反応は進イ分 子と命名しました。アルキル鎖長をい酵素ということになります。そこで、私行しないという変な状 態になります。私

短 く し た PFC を デ コ イ 分 子 と し てたちは、P450BM3を長 鎖 脂肪酸に構造たちはこのような状態を利用できると考え、

P450BM3に取り込ませ、プロパンを反応を似せた偽 物をつかって誤 作 動させる

長鎖脂肪酸よりもアルキル基の長さが短させると、私たちの期待通りプロパンが反 応系の開発に取り組みました（図 2）。

いPFCをP450BM3に取り込ませ、同時水酸化されてプロパノールが生成されます。

長鎖脂肪酸の偽物として、長鎖脂肪酸のにベンゼンやプロパンなどの第二の基質

プロパンの水酸化反応は、本来は起こら

水素原子をフッ素原子に置き換えたパーをとりこませることで、ベンゼンやプロパない反応なのですが、デコイ分子を取りフルオロアルキルカルボン酸（PFC）がンをP450BM3に水 酸化させるという戦

込ませた場合には、プロパンの水酸化反利用できるのではないかと考えました。

略をとりました。P450BM3は、もともと応が進行します。酵素自体は何も変えな

フッ素原子の原子半径（42ピコメートル）

炭素数が 16前後の長鎖脂肪酸を対象にいで、本来の基質の長鎖脂肪酸とは全くは、水素原子の原子半 径（53ピコメート

して いる酵 素な ので、鎖 長 を 短くした構造の違うものと反 応するようになったル）と そ れ ほ ど 変 わ ら な い た め 、PFCを取り込ませた場合には、活性部位

世界で初めての反応系です。

P450BM3にとっては、水素原子とフッ素のアルキル基を短くした分だけの空間が

つまり教科書に書いてある鍵と鍵穴の原子はほとんど同じものに見えます。しでき、ベンゼンなどの第二の基質をとり関係は、デコイ分子のような小分子を使かし、C-F結合（116 kcal mol ）はC-H

こませることが 可能になるだろうと考えうと覆されてしまうのです。プロパンの代

結 合（95 -99 kcal mol ）よ り も 強 く、ました。PFCを先に取り込ませ、活 性部

わりにベンゼンを反応させると、フェノー

長鎖脂肪酸を水酸化するということは、-1-1Osami Shoji08

特 集 ＿ 化 学 のマジックが 生 体 物 質をあやつる

長鎖脂肪酸を水酸化するP450BM3の活性部位の構造の模式図。長鎖脂肪酸を取り込むまえは「OFF」の状態（紫色のコの字）で活性中心のヘムは活性化されていない。長鎖脂肪酸が取り込まれると「ON」の状態（オレンジ色のコの字）になって長鎖脂肪酸が水酸化される（上段）。ベンゼンを単独で取り込ませても、P450BM3は「OFF」の状態のままであるので、反応は何も進行しない（中段）。パーフルオロアルキルカルボン酸（デコイ分子）とベンゼンを同時に取り込ませるとP450BM3は「ON」の状態になってベンゼンが水酸化されてフェノールが生成する（下段）。

19 75 年 生まれ 。2 0 0 2 年千葉 大学 大学院自然 科学 研究 科博士課 程修了。奈良先端科学 技 術 大学
院大学 博士研究員、名古屋大学 大学院理学 研究 科助教、同准 教 授を経て、2 019 年より現職。専門は生物無 機 化学 、酵素化学。

No.37 autumn _ winter 201909

特 集_ 化学のマジックが生体物質をあやつるな条件下で、爆発性の中間体を経ること結合するようになりました。第二世代デコ

なく直接ベンゼンをフェノールに変 換す

イ分 子を用いてプロパンとベンゼンの水

る次世代の新しいフェノール合成法であ酸化反応を行うと、活性が向上すること

るといえます。

もわかりました。さらに、デコイ分 子がP450BM3に結合した状態を結晶構造解

デコイ分子の進化

図 4 第三世代デコイ分子を結合した
P450BM3の結晶構造解析
Z -Pro -Phe を 結 合 し た P45 0BM3 の 活 性 部 位 の 構 造（左）とシミュレーションによりベンゼンの結合させた構造（右）。Z -Pro -Phe末 端のベンゼン環とヘムの 鉄との距離は 8 .4Åであり、水酸化されない。

析で確認し、私たちが予想した通りにデP450BM3の活性部位は一切変更する

コイ分 子が P450BM3に取り込まれていことなく、プロパンをプロパノールに、ベることがわかりました。また、デコイ分子

ンゼンをフェノールに室温で変 換するこがどのようにP450BM3 に 取り込まれてとができるようになったのですが、そのいるのかがわかったことで、カルボン酸

テムをつくることができました（図 3）。フッ

分 子があります。それは学 生が考えて合酸化反 応速度は、1分間に 100回転ほどのカルボキシル基をアミノ酸で修 飾した

素原子を含まないカルボン酸の多くは試成した分子で、フェニルアラニンとプロリ

実 際にそれができてしまいまして、巨であり改善の余 地があると考えられます。

場 合 には、カルボン酸 のアルキル 鎖 が薬として購入でき、価格もそれほど高くもンを連結してそのプロリンの窒素原子を大菌を培養してから、このデコイ分 子をデコイ分 子は、ベンゼンなどの第二の基

P450BM3の活性部位に届かないことなありませんし、さまざまな構造のカルボアルキル化した少し変わった構造のデコ

培養液に入れるとベンゼンを水 酸 化 す

質が入る隙間をつくるためにそのアルキどがわかりました。P450BM3 の活 性部

ン酸を使ってデコイ分 子をつくることがイ分子（C7-Pro-Phe）なのですが、非常る菌体に早変わりします（図 5）。自然界

ル鎖を短くする必要があるのですが、ア

位には届かないので、P450BM3は酸化できるようになります。カルボン酸のカルに高い活 性を示しました。また、興味深にはベンゼンを水 酸 化 する酵 素はない

ルキル鎖を短くすることでP450BM3とのすることができないということを確認しボキシル基をアミノ酸で修 飾すると適当いことにこのデコイ分子は、バクテリアののですが、デコイ分子を添加するだけで結合力は弱くなってしまいます。私たちは、たことになります。届いていないのであれな長さであれば基本的にはすべてデコイ

膜構造を透過しやすい性質をもつことがベンゼンをフェノールに変 換する菌体を長鎖脂肪酸のカルボン酸をアミノ酸で修ば、フッ素原子を使って酸化されないよ

分 子になります。沢山つくることが できわかりました。

人 工的に作りだせることを示しています。

ルが得られます。フェノールは、医薬品や飾すると、P450BM3により強く結合する

うに保護する必要もなくなることがわかっればその中から活 性が 高いデコイ分 子

プラスチック、顔料 の原料に必 須となるとされる研究例を採用しました。結合がたことは、非常に重要なことでした。

を探すことができるのではないかと考え重要な工業原料です。フェノールは、ベン

強くなる理由もP450BM3の結晶構造 解

ゼンを高温高圧の反応条件でプロピレン

析によって明らかにされていて、修飾すると反応させて変換し、クメンを酸化する、アミノ酸が関与する水素結合によると報いわゆる「クメン法」で生産されています。

なります。

巨大菌の中でベンゼンをフェノールに変菌体内での反応

換する反応の活性はまだ低いものの、デるわけです。さまざまな構造の第三世代

細胞 膜を透 過しやすい性質を何に使コイ分 子の構造の変更や菌体 の変更に

デコイ分 子を合成して、ベンゼンの水 酸

えるのかというと、バクテリアにデコイ分

よって、より高活 性な反 応系に改善でき

PFCの代わりに、アルキルカルボン酸

化反 応を行ってみると、いくつかのデコ

子を取り込ませることに使うことができると考えています。

告されていました。PFCのカルボン酸ののカルボキシル基をアミノ酸で修 飾した

イ分子が非常に高い活性を示すことがわます。デコイ分 子を用いる反 応系の面白

今 回 紹 介したデコイ分 子を用いる反クメン法では、高温高圧の反応条件が必部分をアミノ酸で修 飾すれば、同じよう第三世代のデコイ分子を合成してみました。

かりました。また、第三世代デコイ分子をいところは、P450BM3自体 にはなにも

応系は、これまでにない新しい酵素機能要なだけでなく、爆発性の中間体経由すにP450BM3に強く結合するようになると実際に第三世代デコイ分子を使ってベン結合させたP450BM3の結晶構造解析に変更を加えていないので、自然界に存在改変法で、無限の可能性を秘めています。

る反応なので、ベンゼンを出発物質とす期待して、PFCのカルボキシル基をアミノ

ゼンを水酸化できないかとやってみると、

よって、デコイ分子が結合した状態で、ベする状態と全く変わらないということです。

菌 体 内 でもデコイ分 子を用いる反 応がる新たなフェノール合成法の開発が求め酸で修 飾した第二世代のデコイ分 子をフェニルアラニンで修 飾した第三世代デンゼンが 1個入る隙間があいていること

天然にそのままあるP450BM3を使える可能になったので、生体内でデコイ分子

られています。P450BM3とデコイ分子を合成しました。アミノ酸で修 飾した第二コイ分子を使うと、ベンゼンをフェノールも確認でき、絵で描いた私たちの反応系

ことから、P450BM3を菌体 内で つくっを用いる反 応の可能 性を中心に研究を用いる反応は、常温・常圧の非常に温和世代のデコイ分 子は、P450BM3に強くにする反応が 1分間に 160回転もするシスを、結晶構造解 析でもきちんと証明するている巨大菌にデコイ分子を送り込むこ

進めていきたいと思っています。ご清聴ことができました（図 4）。

とができれば、巨大菌そのものを使ってありがとうございました。

フッ素原子を持たないデコイ分子

最 終 的に一番 性能が良かったデコイ

図3

長 鎖 脂肪 酸 以外 の反 応をできることに

図 5 菌体を用いるベンゼン水酸化細 菌の内部に到 達 することが できるデコイ
分 子を用いることで、P450BM3を持つ菌体の中でデコイ分子が P45 0BM3に結合し、ベンゼンを水酸化できるようになる。

デコイ分子の構造

これまでに開発した第一世代から第三世代デコイ
分 子の構造とベンゼンの水 酸 化 反 応の 1分 間当たりの触媒回転数（構造の上）。

生 物 無 機 化 学 研 究 室 ウェブ ペ ージ

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特 集 ＿ 化 学 のマジックが 生 体 物 質をあやつる

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理 の 先 端を いく Ⅰ

数学 的 不 思議の森を歩く石井図2

亮 多元数理科学専攻教授

図1

式1

正多面体群

正 4面体 、正 8面体 、正 2 0面体の回転対称性の群は、それぞれディンキン図形のE 6 、E 7 、E 8 に対応する。なお、正 6面体 、正 12面体からできる群は、それぞれ
正 8面体 、正 2 0面体からできる群と同型である。

1965年生まれ。京都大学理学部卒（1988）、同大学院単位取得退学（1993）。
博士（理学）。1993年京都大学理学部助手、2000年同工学研究科講師、2005
年広島大学理学 研究科助教授、2014 年同教授、2018年から現職。専門は代数幾何学。

Akira Ishii^

いて関数のような役 割を果 たす基 本 的

果を交 換し検 討を重ねるうちに、この問群から、群の表現という代数的なものだな概念であるが、フーリエ‐向井変換を

題もフーリエ‐向 井 変 換で 幾 何と代 数

けを使った計 算で同じディンキン図形が定 式化するには、層の圏を拡大した（層を行き来すると見 通しが良くなることが構成できることを発見したのがマッカイの）導来圏において考える必 要がある。

わかってきた。クローがケンブリッジをであった。これを、特異点解消の幾 何学

BK Rは 3次元マッカイ対応をフーリエ‐

何度か訪問し、最後には私がソルトレイ

的な構造と、群の代数的構造の間の（不向井変 換として実現したのである。さらクシティのクローの家に泊まり込みなが思議な）対応というかたちで捉え、マッに、導来圏が 抽 象的な理 論の枠 組みとら論文を完 成させた。私にとっては、ケカイ対 応とよぶ 。その 理 論 的 背 景 や高して登場するだけでなく、幾 何学的に重ンブリッジやソルトレイクシティの風 景

次元化を探ってさまざまな研究がなされ要な 情 報を導 来 圏から取り出すというが随所にちりばめられた、思い出深い論てきた。2 0 年前の当時、3 次元で可換群

画期的な手法を用いていた。

文となった。

＊4

これまでの 研 究で、不思 議な現 象のの場 合には中村郁 がトーラス（ドーナツの表面）上のパズルと結びつけることし拡張しようとしていたのだった。

マッカイ対応フーリエ‐向井変換

向井茂の論文“Duality between D(X ) and D(X ) with its application to Picard sheaves”（Nagoya Math. J. Vol. 81（1981）, 153 -175）よりフーリエ‐向井変換の定義。この論文は4 0年近く経った今も多くの論文に引用され続けている。

者 の関 係が 説明された。一方 同じ 有 限により成果を上げており、私もそれを少奇妙なタイトルの論文＊3

元の特異点ができ、クライン特異点 とフーリエ‐向井変換

遥かなるケンブリッジ

もするが、むしろ不思議なことは増えたか 打ちのめされるとともにいたく感銘をかもしれない。名古屋の風景も織り交ぜ受けたのだった。フーリエ‐向井変換をながら、不思議を探って行きたい。

応用した論文を一つ書いた後に、3次元群というのは対 称 性を司る概 念 であよばれる。クライン特異点は「爆 発」とが出ているのを見つけた。3人のイギリる。たとえば、正多面体を回転させて自よばれ る操 作により点を曲 線 に置き換

BK Rの論文タイトルに登場するもう1におけるフロップという幾 何学的な現 象

ス人ブリッジランド、キング、リー（BKR）

分自身に重ね 合 わ せるような対 称 性をえていくと特異点解消されて滑らかな複人、Mukaiは当時名古屋 大学 教 授の向をマッカイ対応の枠 組みの中で捉えよう

implies McKay＊1」と、2 人 の 数 学 者の 名 前 を 結 び つ け た も の で あ った 。

＊5

すべて考えると、正多面体 群（正 4面体

素曲面になり、このとき現れる曲線の交

井茂 のことで、ここではフーリエ‐向という問題に取り組んだ。当初はトーラ

群、正 8面体 群、正 2 0面体 群）ができる

わり方を表すグラフがディンキン図形と

井 変 換（式１）というものを意 味していス上のパズルの手法を使って考えたが、（図 1）。

よばれるものになる（図 2）。

る。フーリエ変換は、19世紀初頭のフーそれだけではうまくいかなかった。当時

McKayは「ムーンシャイン予想 」をは正n角形を（実）3次元空間で回転させディンキン図形はそもそも単純リー環

リエによる熱方程 式の 解 法に端を発す

ユタ大学にいたクローも同じ問題を考えじめ数々の不思議な現象を発見したイギ

る対称性の群は 2面体 群とよばれる。その分類に現れたもので、クライン特異点る関数の 変 換で、解 析 学における重 要ていることを知り、共同研究が始まった。

リス生まれのカナダの数学者の名前であして、正n角形を平面内で回転させると、と単 純リー環という一見 無 関 係 のものな道具である。これ の 代 数 幾 何学におちょうど 私はケンブリッジのニュートン研究所に滞在する機会を得て、煮詰まる＊2るが、ここではいわゆる「マッカイ対応」

巡回群というものになる。以 上が、空間がどちらもディンキン図形を使って分 類

けるアナロジーとして向井が導入したのを指している。まずは、これから説明しにおける回転 からなる有限 群の 分 類をされるというのは不思議に思われた。こが、「層」を変 換 するフーリエ‐ 向 井 変と、研究所の周りを歩きながら思索にふよう。

与える。これらの群に付随して複素 2次の現 象については、19 6 0 年 代以降に両換である。層というのは代数幾 何学における日々だった。具体例の詳細な計 算結

多 元 数 理 科 学 研 究 科 ・ 理 学 部 数 理 学 科 ウェブ ペ ージ

12

理 の 先 端をいく Ⅰ

裏にひそむ秘 密を少しはのぞき見た 気

さて、この論文を読んだ私は、いささ

20 年 前の夏に奇 妙なタイトルの論 文によるそ の 論 文のタイトル は 「Mukai

ディンキン図形

A、D、E 型のディンキン図 形。それぞれ 、
巡回群、二面体 群、正多面体 群に対応す
る商特異点の解消に現れる（その他に、B、C、F、G型もある）。ディンキン図形は、なぜか 数学におけるさまざまな概 念の分 類に 現 れ る。地 球 外文 明に 遭 遇した時、地球人の文明がいかに洗 練されているかを示すには、ディンキン図形を見せるのが良い、という数学者もいる。

＊1 Mukai implies McKay
このタイトルはプレプリント（完 成した時 点で著 者が公開した原稿）のもので、雑誌掲載の際に“The McKay
correspondence as an equivalence of derived
categories”に改められた。
＊2 ムーンシャイン予想
本誌 7号P.8参照。
＊3 クライン特異点
実 3次元空間における回転を、2次の複素行列を使って書くことができ、その行列のなす群の作用による商として特異点を構成できる。
＊4 中村郁（1947‐）
北海道大学名誉教授＊5 向井茂（1953‐）
京都大学名誉教授。中国科学院晨兴数学中心教授。

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No.37 autumn _ winter 201913

理 の 先 端を いく

Ⅱ

植物に上下ができる仕組み
植 田 美 那 子 トランスフォーマティブ生命分子研究所特任講師
図 2 シロイヌナズナの未受精卵と受精卵における微小管の並びの変化

まずは上下軸から始まる

微小管と核をそれぞれ緑色とピンク色で示す。受精卵が上部にリング状の微小管（括弧部分）を作って伸び始め
たあと、核（矢尻）が次第に上方向に移動して非対称分裂に至る。右上の数字はライブイメージング開始からの時間（時：分）、スケールバーは 10マイクロメートル（μm）
を表す。

側の小さな細胞と下側の大きな細胞を生植物のかたちは複雑で、花や葉、根や茎

み出すという非対称分裂＊2を行う。上側のなど、さまざまな器官を有する。それらの細胞は活発な細胞分裂を行い、植物体の器官のかたちづくりの基礎となるのは、上下、ほとんどの器官（花、葉、茎等）をつくる一

左右、前後の方向性を決める「体軸」であ方で、下側の細胞は根の一部をつくったある。ほとんどの植物が最初につくる体軸はとで死滅する。このように、受精卵の極性を観察できる新しい手法を開発し、受精上下軸であり、この上下軸に沿って、上部化は、植物のかたちづくりの出発点として卵の内部で起こる現象をリアルタイムで捉には花や葉をつくり、下部には根をつくる、非常に重要なイベントであるにもかかわらず、えることを試みた。まず、実験に適したモというかたちづくりを始める。上下軸は、植受精卵がどのように極性を生み出すのか、デル植物であるシロイヌナズナを使って、卵だけを取り出して観察すると、受精卵はるアクチン繊維についても同様に観察したや液胞といったさまざまな構造体がダイナ物の元になる最初の細胞である受精卵がこれまで全くわかっていなかった。

受精卵の内部にある繊維状構造（細胞骨

すぐに死んでしまい、受精卵の変化を継ところ、アクチン繊維の並びも、受精する

ミックに動くことで植物の上下軸がつくら

格 ）の一つである微小管に蛍光タンパク

続的に追う観察（ライブイメージング）がといったんバラバラになるが、微小管とはれることがわかってきた。これは、直径 20質でマーカー（目印）をつけた株を作出しできなかった。そのため、種子に包まれた異なり、次第に上下軸に沿って並ぶこともµmにも満たない受精卵内でのダイナミッた。しかしながら、若い種子の中から受精状態で受精卵を観察することを試みたが、わかった。

クな動きを初めて明らかにしただけでなく、＊1に偏りをつくり（極性化 ）、その結果、上植物の上下軸が作られる様子

植物の未受精卵と受精卵の内部はともに偏っている（極性をもつ）。受精卵は非対称分裂を行うことで、植物の上下軸を確定する。

＊3

上下に分かれる（分裂する）ことで確定される（図 1）。このとき、受精卵は、細胞内

図1

生きた受精卵の内部を観察
そこで私たちは、生きた植物の受精卵

図 3 アクチン繊維と液胞が受精卵の非対称分裂に果たす役割の模式図
未受精卵の内部にあった液 胞は、受精後に急速に減 少し、その後、上下方向に並んだアクチン繊維に沿って下方向に移動する。この液 胞の動きにより、核は受精卵の上部に到達することができ、受精卵は非対称分裂できる。

これまで単なる水袋だと考えられてきた液種子が分厚すぎるため、一般的な共焦点顕微鏡では不鮮明な像しか得られなかっ

Minako Ueda

1978 年生まれ。2005 年 3月京都大学 大学院理学 研究 科で 博士（理学）取得。2005
年 4月ドイツフライブルグ大学でポスドク研究員（日本学術振興会海外 特別研究員）となり、2008年 4月名古屋大学でのポスドク研究員（日本学術振興会特別研究員）、
2010年 10月奈良先端科学技術大学院大学での助教を経て、2013年 4月より現職。

理 の 先 端をいく Ⅱ

胞が積極的に移動することで植物のかたた。組織の奥深くの観察に適した二光子

植物の受精卵が極性化する様子を世界

ちづくりに貢献するなど、予想外の発見も励起顕微鏡を用いることで、高精細な像で初めてリアルタイムで捉えることに成功もたらした。私たちは、今後ともこのようなを得られるようになったものの、長時間のしたため、現在は、細胞骨格以外のさまざ「百聞は一見に如かず」を体現したライブ

観察を続けると、受精卵が壊死したり、蛍まな構造体の変化についても、網羅的にイメージング研究を進めることで、植物の光が徐々に暗くなるという、新たな問題がライブイメージングを進めている。まず、細かたちづくりの仕組みをさらに理解できる＊4生じた。これらの問題を解決するためにさ胞の大部分を占める水袋である液胞 の

まざまな試行錯誤を繰り返し、最適な観変化を観察したところ、受精する前には細察条件を確立できたことで、種子の中にあ胞のほとんどを占めていた液胞が、受精る受精卵の内部の変化を鮮明にライブイ

すると急速に脱水して小さくなることがわ

メージングすることに成功した。

かった（図 3）。次いで、液胞がアクチン繊

その結果、受精する前には上下軸に沿っ維を足場として細長い管状の構造をつくて並んでいた微小管が、受精するとバラバ

り、核を避けるようにして徐々に下方向にラになることを発見した（図 2）。次いで、移動した結果、上部の空いた空間に核が受精卵の上部にリング状の構造が現れ始移動することで、受精卵が非対称分裂でめ、受精卵はこのリング構造を保ったままきることも発見した（図 3）。

細長く伸びることや、非対称分裂時に核のこのように、私たちの「植物の受精卵をまわりに微小管が集まることなど、ダイナ

ライブイメージングする」という、世界で初

ミックな変化を捉えることができた。

めての試みによって、受精する前の細胞のさらに、微小管とは異なる細胞骨格であ植 田 美 那 子ウェブページ

14

非対称分裂を実現する液胞と核の動き

極性がいったん崩壊したあと、細胞骨格と考えている。
＊1 極性化細胞の内部にある物質や構造体を特定の場所に集めることで、細胞内を不均一にすること。そうしてできた内部の偏りを極性と呼ぶ。
＊2 非対称分裂
一般的な細胞分裂では、生じた二つの細胞の大きさや働きは同じだが、違う性質をもった細胞を生み出す細胞分裂もあり、これを非対称分裂と呼ぶ。
＊3 細胞骨格細胞質内に存在する繊維状の構造体で、タンパク質がひも状に連なったもの。植物では主に、チューブリンというタンパク質が連なった微小管と、アクチンというタンパク質が連なったアクチン繊維の 2種類が使われる。
＊4 液胞
細胞内にある小器官の一つで、ほとんどの植物細胞で細胞体積の大部分を占める。液胞膜が細胞液を包んだ構造をしており、多くの水分を含む。

http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/ja/members/m-ueda/
No.37 autumn _ winter 201915

理 の 先 端を いくⅢ

絶滅 動 物の生体像を追い求めて

図1

絶滅四肢動物の前肢姿勢復元の対立仮説（左）恐竜トリケラトプスTriceratopsと（右）絶滅哺乳類
パレオパラドキシアPaleoparadoxia。
（上段）哺乳類のよ
うに体の真下に四肢を置く姿勢や、（下段）トカゲのように体の側方に四肢を張り出す姿勢など、研究者によって意見が分かれていた。藤原慎一画・河部壮一郎着色。

藤 原 慎 一 博物館講師

絶滅動物の姿をあぶりだす物はその中でもテコが大きな筋肉に依存しないがために姿 勢 復元の最難関課題で紐解いていくことが、絶滅種の姿の「正解」

四肢動物 は進化の過程で骨格形態を多様化させた歩行姿勢をとるという法則もわかってきあった「胴体に対する肩甲骨の位置」を復へと収束していくための最短ルートである。

るとともに、歩行姿勢や運動機能の多様化と、陸海空た（図 2）。こうした法則に絶滅種の骨格形

元する指標になる（図 3）。また、パレオパラ

恐竜の陸上歩行姿勢に留まらず、クジのあらゆる環境への進出を果たしてきた。その進化過態を当てはめ、トリケラトプスやパレオパラ

ドキシアや原始的なクジラは四本の肢がラの遊泳適応やモグラの掘削適応、トリ程を理解するには、絶滅四肢動物の古生態 をより確

ドキシアの陸上歩行姿勢を復元すると、体生えているという特徴から、水陸両生とさの飛翔適応などの起源、カニのハサミのからしく復元する必要がある。しかし、化石に残るわの真下に四肢を置いて歩行する姿勢の方れてきたが、そもそも彼らの肋骨が陸上四挟む能力や二 枚 貝の潜 行姿 勢に至るま

ずかな骨格形態情報から、彼らの生体像を知ることはが理に適うといったことが見えてくる。

足歩行できるだけの強度を持たないこともで、動物の運動にかかわる研究テーマはわかってきた。

無限だ。その点も、生物のもつカタチと機＊1＊2

困難を極める。実際、博物館の組立骨格や復元画で見また、骨は材質の物性がほぼ同じだが、られる絶滅動物の姿は、復元の根拠が不明瞭なもの

カタチを変えることで、荷重方向に対するが大半だ。前肢姿勢にさまざまな復元仮説が提唱され強度を劇的に高めることができる。体重をてきた恐竜トリケラトプスや絶滅哺乳類パレオパラド

支える骨格部位は、重力方向の荷重に対化石ばかり眺めていても、絶滅動物がキシアはその典型といえる（図 1）。では、どうすれば、して十分な強度をもつように安全設計され生きていたときの姿にたどり着くことはない。

絶滅動物の歩行姿勢や運動性能の「正解」に近づいている。さて、四足歩行性の現生種では、一方で、現生種ばかり観ていても、骨のカていけるのだろう。

肩甲骨の真下に位置し、肩甲骨から伸びる

タチからその動物が生きていたときの姿を筋肉が着く肋骨は、全身の体重を支えられ復元するという発想は生まれにくい。一見るよう、高い強度を示すことがわかってき

遠回りだが、現生種を用いて、動物の姿勢た。すなわち、肋骨強度は、互いに関節しや運動機能と骨格形態の関係を少しずつ

検証は現生種から始まる
実は、絶滅動物の生体像を知る一番の手がかりは、

能の関係を探る「機能形態学」の大きな

機能形態学の未来魅力である。
＊1 四肢動物
脊椎動物の中でも四本の肢をもつ仲間でカエルやトカゲ、トリ、ヒトなどを含む。
＊2 古生態
絶滅した動物の生態。
＊3 筋電研究
生体の筋肉の電気的信号により、運動中にどの筋肉がどのタイミングでは収縮するかを調べる研究。

現生動物にある。現生種なら、動物の姿勢や運動機能と骨格のカタチの関係について検証できるからだ。この「機能－形態」関係が、筋骨格の基本構造を共有するすべての現生四肢動物に適用でき、かつ、力学モデルや筋電研究＊3との整合性を示すことができれば、絶滅四肢動物にも適用できるはずだ。骨のカタチから得られる「テコ」や「骨格強度」などの物理指標を使うと、その関係の理解がしやすい。
たとえば、動物が陸上で重力にあらがって姿勢維持をしているとしよう。体重支持をしている肢の関節が、重力方向に曲げられようとしているなら、重力にあらが

Shinichi Fujiwara

埼玉 県出身。20 08 年、東 京大学 理学系 研
究科で博士（理学）を取得。東京大学総合
研 究 博 物 館 研 究 員（日本 学 術 振 興 会 PD
特別研究員）、同特任助教、名古屋大学博
物 館 助 教を 経 て、2018 年より現 職 。2019年日本 古生物学会 学 術 賞。専門は機能 形
態学、古脊椎動物学。

う筋肉（抗重力筋）はそれと反対方向に関節を回転させるように収縮する。関節の回転中心から、抗重力筋

図3の収縮力のベクトルまでの距離が、この筋のテコだ。筋四肢 動物は、胴体と肩甲骨が関節しないため、肩甲骨の 位置の復 元 が 困難である。現 生の四足 歩 行 性の四肢 動 物では、肩甲骨（黄）が、比較 的真直ぐ伸
び て太い肋 骨、すなわち、鉛 直 圧 縮 へ の強 度 が 高
い肋骨の上に配置する。また、肩甲骨から筋肉で吊り下げられる胴体の姿 勢が安定に保たれる（赤：ロー
ル回 転 の 抑 制、緑：ヨー回 転 の 抑 制、青：ピッチ回
転の抑制）よう、胴体と肩甲骨の位置関係が決まっていることも判明した。本 図は例としてネコの 骨格を示す。

肉の位置や関節の回転中心は、骨のカタチに反映される。現生種を調べていくと、抗重力筋のテコが極大となる関節角度を維持した姿勢をとるという法則が見えてきた。また、たとえば肘関節では、伸展・屈曲、内転・外転などそれぞれの動きに用いる筋肉が異なるが、動図2

四肢動物の四足歩行姿勢と肘回りの筋肉のテコの関係

右に、四肢動物の肘関節の主要な筋肉（青：肘を伸ばす筋、赤：肘を曲げる筋、緑：肘を内側に倒す筋）について、各筋肉のテコがとりうる最大長を、回転中心からの矢印で示す（テコ長は関節角度によって変わる）。また、左に筋肉のテコ長と四肢動
物の歩行姿 勢の関係を示す。現生四肢 動物のうち、四肢を体の真下に置いて歩く（青：下方型）動物は、肘を伸ばす筋肉に依存して姿 勢維持し、肘を伸ばす筋肉のテコが相対的に大きい。一方、四肢を側方に張り出して歩く（緑：側方型）動物は、肘を内側に倒す筋肉のテコが大きく、腹ばいになって匍匐前進する（赤：匍匐型）動物は、肘を曲げる筋肉のテコが大きく発達する。絶滅動物の筋肉のテコをここに当てはめると、彼らがどの筋肉に依存した姿勢をとっていたかを判別できる。Tr、ト
リケラトプス（恐竜）；P、パレオパラドキシア； D、デスモスチルス（ともに絶滅哺乳類）。

藤 原 慎 一 ウェブ ペ ージ

16

理 の 先 端をいく Ⅲ

胴体に対 する肩甲骨の最 適な位置

http://www.num.nagoya-u.ac.jp/outline/staff/fujiwara/index.html
No.37 autumn _ winter 201917

理学部交差点
同窓生からキャンパス通信キャンパス通信

リーディング大学院から企業へ

理学初の産学協同研究講座

理学部オープンキャンパスに参加して三菱電機株式会社
先端技術総合研究所

附属ニューロサイエンス研究センター特任講師

素粒子宇宙起源研究所広報室研究員

石元広志（ Hiroshi Ishimoto）

南崎

服部和生（ Yasuki Hattori）

梓（ Azusa Minamizaki）

私は 2015 年度までの 5 年間、理学 研究科の素 粒

私たち栄養神経科学講座は、名古屋大学大学

2019年 8月7日～9日、名古屋大学オープンキャン

子宇宙物理学専攻に所属した。在学中には，宇宙分院 理学 研究 科と雪印メグミルク株 式会社との産パスが開催され、理学部企画は最終日の 9日に実施

野で将来的に活躍するリーダーの養成を目的として

学協同研究講座として、同研究科附属ニューロサ

された。豊田講堂での理学部紹介には約 1400人も設置されたリーディング大学院（フロンティア宇宙開

イエンス研究センター内に設置された。本講座では、の高校生の申し込みがあった。さらに、そのご家族

拓リーダー養成プログラム）に採用され、衛星の観モデル動物であるショウジョウバエや線虫を活用や、各研究室の展示と施設見学だけに参加した人

測機器 提案をはじめとする通常の研究科の講 義でして、食品が脳機能に与える作用とメカニズムをもいただろう。最高気温 36度に達した名古屋の夏は得られない経験をできたうえ、多分野多国籍の方々

研究している。雪印メグミルク株 式会社が 有する、

空の下、東山キャンパスは多くの来場者で賑わった。

と議論・交流する機会に恵まれた。特に、同学年の乳酸菌株 や乳素材などの豊富な食品シーズから

私は、5つの学科から集まった 5人の研究者とと異分野の研究者とチームを組んで取り組んだ衛星の脳神経系に作用するものを今までになかった切りもにサイエンスカフェを企画した。一人あたりの講

観測機器提案のプログラムでは、異なる背景を持つ

口で効率よく選抜して強い効果と明確なメカニズ

演は約 10分の短いものだった。手書きのグラフを研究者と交流でき楽しかった一方で、様々な意見を標達成のためにはどの項目に力を注ぐべきかを正確

ムを持 つ新しい機能 性食品の開発につなげるこ

解説する回、世界観を大胆に語る回、体を張ったまとめながら計画を進めることは非常に難しいと学び、に捉える能力が必要であり、それを養う必要があるとを目指している。

実験の話など、どれも個性的で面白く、理学の幅の専門性や興味に合わせてどう作 業を分 担すべきかと考えるようになった。

地球上に生きる生物は、食物といっしょに細菌広さを感じた。自由時間には、その場に居合わせ

これから理学部・理学研究科を経て社会に出て行を摂取している。つまり私たち生物は、いわゆる「腸

た理学部の教員・学生とお客さんが入り交じって会

博士課程の卒業とともに三菱電機へ就職し、これく方々には、まずは自分が取り組む研究課題に対し内細菌」と上手につきあう術を進化させてきたと話を楽しむシーンもあり、気さくで親しい雰囲気がまでに宇宙機器の開発をはじめ、発電機内を点検すて時間をかけて深く考察し、考える力を養って欲しい。

いえる。この腸内の細菌群が、どのように記憶やあふれていた。

る薄型ロボットや車載機器の開発を経験した。会社

加えて、研究を効率化する意識を持つようにすれば、睡眠さらには情 動などの高次 脳 機能に作用する

では工学出身の方々と仕事をしているが、それぞれ企業で働き始めた際に順応しやすくなると思う。

のか。そのメカニズムを詳細に明らかにすることは、

その自由闊達な空気から、ノーベル賞受賞者をはを考える良い経験になった。

気取らない明るさが、名古屋大学のよさだと思う。

の専門性に応じて仕事の分担を決め、コミュニケー

企業で働き始めてからも学ぶことばかりだが、理

まさしく基礎研究を生業としてきた名古屋大学理

じめ分野を牽引する先人たちが輩出し、今も世界ションを取りながら進める際に、リーディング大学院

学 研究科やリーディング大学院で学んだことを強み

学部の得意分 野である。機能 性を表 示する食品を驚かせる研究が生まれている。阿波賀邦夫理学での経験が生かされていると思う。

にしてこれからも研究を進めてゆきたい。

には、その作用メカニズムをきちんと明らかにす

部長が理学部紹介の挨拶で述べた「世界のどこに（素粒子宇宙物理学 専攻、2015年度 博士（理学）名ることが法 律 で定められている。
「本 物」が 求め出しても恥ずかしくない研究環境」という言葉の通古屋大学）られる時代となった現代では、疑似科学、雰囲気りだ。今回来場した高校生たちの豊田講堂での真商品は淘汰される運命 である。物事 の真 理を探剣な眼差しや、カフェでの輝く笑顔が心に残ってい企業では研究項目が 複数あり、研究以外 の庶務も求する理学の基 礎研究 力が、今まさに社会に求る。名古屋大学で、ぜひ理学の先端に加わり、知の多いため、一つの研究に多くの時間を費やすことがめられている。

新たな地平を切り拓いてほしい。

また企業で働き始めてから、大学での研究との違いを感じた点が二つある。
一つ目は、一つの研究に費やせる時間の差である。

できない。一方で大学院では、自分の研究にかける
時間が十分にあり、興味を持ったことを徹 底的に突き詰められたため、物理現 象を深く考察する力をつけられたと考えている。
二つ目は研究の効率についてである。企業では製品の性能目標値など明白なアウトプットを決定し、さらに期限を決めてから研究が始まる。故に、期限内に目標を達成するためには、研究項目に優先順位をつけて、効率よく研究を進めることを強く意識するようになった。特に優先順位をつけることは難しく、目18

理学部交差点開発に携わる発電機用薄型点検ロボット

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