Inspiring Creativit y

京都大学高等研究院 物質ー細胞統合システム拠点

Inspiring
Creativity
Unlocking Life’s Secrets, Transforming Our Lives
Abou t i CeMS
京都大学高等研究院物質−細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）
で、
私たちは、共に発見し共に創造する、刺激的な日々を過ごしています。
iCeMSの使命は、細胞を制御する物質を創りだして生命の謎を探求するとともに、生命現象にヒントを得た優れた材料を創りだすことで、現代社会が直面する
数多くの問題に新しい解決策を提案することです。
iCeMSの研究は、それまでの常識を一度忘れて、新たに発想を起こすところから始まります。地球温暖化、環境汚染、病気や老化。複雑で多面的な科学的・社会的課題に立ち向かうには、一つの学問分野からのアプローチでは十分ではありません。複数の異なる分野からの視点を掛け合わせ、新しいアプローチを試みることで、今までにない革新的な解決策が生まれてきます。それゆえにiCeMSでは、細胞生物学者、生物物理学者、化学者、材料科学者、物理学者や生体工学者が、お互いに刺激しあってアイディアを創出し、問題解決のために協働して研究を進めています。
学際的な（=学問の分野を超えた）研究方法は、科学の世界でも重要視され始めています。iCeMSはその先駆けとして、およそ10年にわたって、このアプローチを推進し、研究成果を挙げてきました。比較的短い期間に、iCeMSにおける共同研究
は数々の全く新しい科学的発見をもたらすと共に、1500種類を超えるユニークな化合物や材料を創りだしてきました。
iCeMSでひらめきがうまれ、世界を豊かにする技術に変わることで、人々の暮らしがよりよくなることを信じて、私たちはこれからも挑戦し続けます。

CONTENTS
04…拠点長ビジョン

05…組織図08…主任研究者（ PI ）06…運営、データ集

09…研究グループ

07…栄誉、連携機関

38…研究支援部門

拠点長ビジョン：物質−細胞科学の統合に向けて

京都大学高等研究院 物質−細胞統合システム拠点（iCeMS) 拠点長

北川 進

細胞は核酸、タンパク質、脂質、糖などの化学物質によって専門分野を他分野の研究者に伝えることが求められると同時構成されています。煎じ詰めれば、細胞の営みは化学反応でに、同じ分野の研究者を研究内容で満足させる必要がありま

説明できます。化学の言葉で細胞の活動を説明できるならば、す。すなわち、それぞれの研究者が自分の研究の独創性と本細胞の機能を化学物質で模倣できるはずです。
本拠点の目的は、細胞の機能を理解するために必要な化質（エッセンス）を見つめ、その重要な点を正確にかつ分かりやすく伝えることが必要なのです。そしてその研究内容が伝わっ（Materials for Understanding Cell）、
学物質を作製することた時にようやく、他の研究者がインスパイアされ、新しいアイデ細胞の機能を操作する化学物質を作製すること（Materials forアが創出される土壌ができます。

Controlling Cell）、そして将来的には、細胞機能に触発され異なる分野の研究者が集うと、情報の共有化、価値観の統た機能材料を創製すること（Cell-Inspired Materials）
です。

一化が難しいという意見も聞きます。iCeMSにおいては、拠点

この目的を達成するために、京都大学が得意とする細胞生物として掲げる目標のもと、個々が新しい領域を開拓するという強学、化学、物理学、数学の学際融合により、生命と物質の境い意識を持ち、異なる考え方、価値観を受け入れることで困難界である研究領域を掘り下げ、究極的には物質−細胞統合科を克服し、このことを強みとしてきました。そしてそれによって、学という新研究領域の開拓を目指します。

全く新しい考え方・価値観が創出されることを実感しています。
このような研究環境の中、iCeMSでは以下の研究領域に着目

ではこの新研究領域を開拓するのに必要なのはどんな要素

し現在研究を展開しています。

でしょうか？細胞科学と物質科学の両方を研究している研究者をたくさん集めることでしょうか？私が考えるに真に学際的な研究というのは、開拓心のある専門分野に秀でた優秀な人材が

1.「細胞機能を化学で理解し、操作する物質を創製することは可能か」

同じ場所に集い、お互いを意識しあうことによって生まれるものだと思います。すなわち、細胞のことを真に理解している研細胞は、数多くの化学物質を自己組織化し、協同的に相互究者、材料について極めた研究者が共存し交わることで初め作用させることで生命活動を維持しています。この細胞の機能て、新しい研究領域が生まれるとも言えます。一つの研究分野の営みを理解するためには、解析に必要な化学物質・材料をを樹立した成熟した研究者だけではなく、創造性と柔軟性に作製し、それらを用いて細胞の解析を進める必要があります。

富んだ若い研究者がたくさん集うことも重要でしょう。そして

そしてそこから得られた知見を基に細胞機能を操作する化学

そこでは、研究者一人一人が独自の研究領域を開拓している物質を創製しようと考えています。

ことに加えて幅広い視野を持っていることが必要です。また、他の研究分野を意識できるような研究環境が用意されている必

2.「細胞機構を物質で再現することは可能か」要もあるでしょう。前者に関しては、iCeMSはそのような研究者
を積極的に集めることでこれまでに組織を作り上げ、後者に関Richard P Feynman 教 授 の 有 名 な 言 葉 が あります。

しては、iCeMSにおける研究環境そのものが他の研究分野へ「What I cannot create, I do not understand.（本 当 に 理の視野を広げるハブとして機能していると言えます。

解したものは作れるはずだ。作れないならば、本当に理解していない。）」
つまり、真の理解は創造することによって検証できる

例えば、iCeMSにおいて研究員のオフィスはオープンスペーという事です。本当に細胞機能が理解できているなら、物質にスとなっており、異なる研究分野の研究者が隣り合って座るこ

よる細胞機能の再現は可能なはずです。理解と創造を同時にとで互いに刺激を受けあっています。また、シンポジウムやリト進行させることによって、理解度を確認しながら研究を推進

リートなど、ほぼ全てのイベントは細胞科学と物質科学、両分し、新たな物質の創製を目指します。

野の研究者が同じ場所に集って行われます。ここでは、自分の04 | iCeMS Inspiring Creativity

組織図
京都大学高等研究院
院長

運営協議会
副院長

企画調整室
高等研究センター

研究拠点
物質−細胞統合システム拠点
学術有識者委員会

拠点会議
北川 進

影山 龍一郎

拠点長

副拠点長

上杉 志成

鈴木 淳

副拠点長

副拠点長

古川 修平

橋田 充

PI会議長

研究支援部門長研究グループ（ PI 15名 連携PI 14名 ）研究支援部門イノベーションユニット
パブリックエンゲージメントユニット
iCeMS解析センター

ヒト生物学高等研究拠点（ ASHBi ）連携研究拠点
産総研・京大 エネルギー化学材料オープン
イノベーションラボラトリ（ ChEM-OIL ）理研−京大科学技術ハブ（ RIKEN-Kyoto U Hub ）寄附・産学共同研究部門
医学物理・医工計測グローバル拠点（ iCeMS-CiMPhy ）事務部

iCeMS Inspiring Creativity | 05

運営
国
融

際
合

研

化

● 英語公用化や外国人研究者サポートの実施など

究● オープンオフィスや大型設備の公開利用など

国際頭脳循環● 国際シンポジウムの開催や国内外の著名な研究者によるiCeMSセミナーの実施

研● 産官学連携、国際連携、学際融合研究の実践的な推進

究

支

援

● 京都大学学術研究支援室（ KURA ）との連携● アウトリーチ活動の実施（ 一般向け研究説明動画の配信や高校生向けイベントの開催等 ）アウトリーチ

データ集
2018年4月現在

構成員数

研究者数
計：180

152

78

84

43
37

9
28

計
153

100

85

2015年4月

■教授

■連携教授

18

■准教授
■講師

■事務部

25

外国人
約22%

■日本人男性

財務状況
WPI補助金：

3
1

1

1

1

1

1

ネパール

ベトナム

タイ

イギリス

フランス

アメリカ

ニュージーランド

2

イラン

1

インドネシア

インド

中国

1

アジア
11

51

13

外国人研究者数：国籍別

447■研究支援員 62

9

■研究員

13
4
10

■外国人女性■日本人女性216
516

2017年4月 2018年4月

2016年4月■外国人男性

9

■特任教授

2

■助教

4

■客員教授

9

女性
約18%

6
24

北米
中東
1
2
ヨーロッパ オセアニア
21（単位：100万円）

1,334

1,310

1,286

1,241

0

計：2,142

2,075

1,646

1,604

1,292

88
59
177

95 53
63
165

128
92
143
134
851

149
92
83
181

96

971
736

160

515

634

599

490

2013年度

2014年度

2015年度■京都大学からの支援（間接経費を除く）■部局連携支援、人件費分
■寄附金

595

216
87
49
43

633

382

2016年度 2017年度■共同研究費■受託研究費（NEDO等）■最先端・次世代 研 究
開発支 援プログラム■科 学 研究費助成事業

06 | iCeMS Inspiring Creativity

栄誉
年月

賞名

受賞者（ 所属は受賞当時 ）

2018年

11月
11 月
11 月
４月
１月

高引用論文著者
仁科記念賞
紫綬褒章
内藤記念科学振興賞
幹細胞・再生医療行動賞

北川進
田中耕一郎
影山龍一郎
影山龍一郎
中辻憲夫

2017年

11月
９月
９月
６月
４月
４月

紫綬褒章
未来のための化学・ソルベイ賞2017
国際薬学連合ヘスト・マドセンメダル
藤原賞
市村学術賞
文部科学大臣表彰 若手科学者賞

橋田 充
北川 進
橋田充
北川 進
上杉 志成
古川 修平

2016 年

10 月
９月
６月
４月

バソロ賞
武田医学賞
日本学士院賞
文部科学大臣表彰 若手科学者賞

北川 進
斎藤 通紀
北川 進
廣理 英基、堀田 秋津

2015年

４月
４月

文部科学大臣表彰 若手科学者賞
マルコ・ポーロイタリア科学賞

松田 亮太郎北川 進

2014 年

6月
５月
３月
２月
１月

ドイツ・イノベーション・アワード ゴットフリード・ワグネル賞 秀賞 秀賞
アメリカ細胞生物学会E.B. Wilson賞
文部科学大臣表彰 科学技術賞
フィリップ・フランツ・フォン・ジーボルト賞
日本学士院学術奨励賞

廣理 英基
John Heuser
中辻 憲夫、加納 圭、水町 衣里、田中 耕一郎
田中 求
斎藤 通紀

2013 年

9月
５月

第10回江崎玲於奈賞
RSCド・ジェンヌ賞

北川 進
北川 進

2012年

11月
11月
10月

文化勲章
ドラッグ・ターゲティング誌特別功労賞
ノーベル生理学・医学賞

山中 伸弥
橋田 充
山中 伸弥

2011年

11月
６月
５月
３月
２月

AAAS Days of Molecular Medicine 若手研究者賞
平成23年春の紫綬褒章
米国科学アカデミー会員
ドイツ・イノベーション・アワード ゴットフリード・ワグネル賞
ウルフ賞（医学部門）

Ganesh Pandian Namasivayam
北川 進John Heuser、山中 伸弥
上杉 志成
山中 伸弥

2010 年

9月
３月
３月

トムソン・ロイター引用栄誉賞
恩賜賞・日本学士院賞
日本農芸化学会賞

北川 進、山中 伸弥
山中 伸弥
植田 和光

2009 年9月
１月

アルバート・ラスカー基礎医学研究賞
第61回日本化学会賞

山中 伸弥
北川 進

2008年

４月

フンボルト賞

北川 進

2007年

12月
11月

科学技術への顕著な貢献2007（ナイスステップな研究者）
アメリカ薬学会 製剤学・DDS部門学術賞

今堀 博
橋田 充

連携機関

国内外の連携機関と緊密に協力し、国際的な研究活動を展開するため、学術交流協定を締結しています。
● UCLA カリフォルニア・ナノシステム研究所（ CNSI ）● タタ基礎科学研究所 インド国立生命科学研究センター（ NCBS ）● インド幹細胞・再生医学研究所（ inStem ）● ジャワハラル・ネルー先端科学研究センター（ JNCASR ）

SPST

ARI

● 北京大学・清華大学 生命科学研究所（ CLS ）CLS

G-CHAIN● ウィタヤシリメティー科学技術大学院大学（ VISTEC ）● 中原大学 薄膜技術研究発展センター（ CMT ）● 上海科技大学物理科学技術学院（ SPST ）● AO研究所（ ARI ）iCeMS● 岐阜大学 生命の鎖統合研究センター（G-CHAIN ）CNSINCBS /
inStemJNCASRVISTEC
CMT
iCeMS Inspiring Creativity | 07

主任研究者（PI）

iCeMSでは、分野を超えて様々な研究者が新たなアイディアの創出に挑戦しています。

赤枠は主任研究者、白枠は連携主任研究者、数字は掲載ページ

ケミカルバイオロジー

材料科学
上杉 志成

ケミカルバイオロジー

細胞生物学

（p36）

Dan Ohtan
Wang

神経科学、RNA生物学

（p37）

古川 修平

錯体化学、超分子化学
材料科学
ケミカルバイオロジー

超分子化学
ケミカルバイオロジー

（p11）

（p13）

鈴木 淳

医生化学、細胞膜生物学（p31）

影山 龍一郎

発生生物学
神経幹細胞生物学（p19）

Ganesh Pandian
Namasivayam

Easan
Sivaniah

藤田 大士

北川 進
錯体化学

材料科学、分離技術

（p23）

堀毛 悟史

陰山 洋

（p28）

浜地 格

生物模倣的エピジェネティックコード
治療のための遺伝子調節

ケミカルバイオロジー
超分子バイオ材料化学

（p14）

（p26）

玉野井 冬彦
癌の基礎生物学と治療（p32）Peter Carlton

見学 美根子

（p10）

（p21）

減数分裂、染色体分離
超解像度顕微鏡

神経発生生物学
細胞生物学

今堀 博

有機化学、光化学
薬物送達システム（p17）

錯体化学、固体化学
材料科学

（p16）

固体化学

（p18）

植田 和光
細胞生化学

（p35）

深澤 愛子

阿部 竜

有機合成化学、構造有機化学

（p12）

北川 宏

人工光合成
太陽光水素製造
光触媒

固体物性化学
錯体化学、無機化学
ナノ科学

DanielPackwood

田中 耕一郎

（p9）

（p22）

松田 道行

バイオイメージング
細胞生物学、病理学

長谷川 光一（p24）

幹細胞生物学幹細胞工学

杉山 弘

ケミカルバイオロジー

（p30）

（p15）

森 泰生

分子生物学
生理学

（p25）

理論化学
応用数学

（p27）

田中 求

医学物理学、ソフトマター物理学（p34）

亀井 謙一郎マイクロ・ナノエンジニアリング
幹細胞工学

（p20）

生体組織工学

杉村 薫

生物物理学
発生生物学

（p29）

生物物理学

08 | iCeMS Inspiring Creativity

光物性
テラヘルツ科学（p33）

研究グループ 01

阿部 竜 グループ
人工光合成、太陽光水素製造、光触媒
教員 ／ 阿部 竜（ 連携PI ）

研究概要

主要論文

近年の環境問題の深刻化や化石資源のエネルギー変換効率を実現するには、太陽枯渇に伴い、経済発展と自然環境保全が両

光スペクトルのおよそ半分を占める「可視立した「持続可能な社会」の実現が求めら光」の有効利用が必須ですが、紫外光に比れています。地球上に降り注ぐ太陽光のエ

べて可視光のエネルギーが小さいため、長ネルギーは莫大であり、我々が現実的に利

年にわたって実現されていませんでした。

用可能な量を見積もっても、なお100 倍

我々は、植物が可視光を有効に利用して光近くあるとされています。したがって、こ合成を行っている点に注目し、植物の光合の太陽エネルギーの数％を、我々が利用可

成における「Z スキーム機構」を模倣した能なエネルギーへと変換できれば、人類の新規な光触媒系を開発し、可視光のみを用

消費エネルギーの大部分を賄うことも不いた水の分解を世界で初めて実証しまし

可能ではありません。このような背景かた。現在は、実用化に向けて、新規可視光

ら、半導体光触媒や光電極を用いて「水を応答型光触媒材料の開発や効率の改善な

分解して水素を製造」あるいは「二酸化炭a Photocathode With a Ru(II)‒Re(I)

どに取り組んでいます。また、開発した可Complex Photocatalyst and a

素を還元・再資源化」する、いわゆる「人工視光応答型光触媒材料を、環境浄化やファ

CoOx/TaON Photoanode. J Am Chem

光合成」が有望な太陽光エネルギー変換技

インケミカル合成などにも適用し、エネル術の１つとして注目を集めています。これ

ギー・環境問題の解決に寄与すべく研究を

ら人工光合成技術において実用的な太陽

進めています。

H Fujito, H Kunioku, D Kato, H Suzuki,
M Higashi, H Kageyama, R Abe,
Layered Perovskite Oxychloride
Bi4NbO8Cl: A Stable Visible Light
Responsive Photocatalyst for Water
Splitting. J Am Chem Soc 138,
2082-2085 (2016)

G Sahara, H Kumagai, K Maeda,
N Kaeﬀer, V Artero M Higashi,
R Abe, O Ishitani,
Photoelectrochemical Reduction of
CO2 Coupled to Water Oxidation Using

Soc 138, 14152-14158 (2016)
R Abe, K Shinmei, N Koumura,
K Hara, B Ohtani,
Visible-Light-Induced Water Splitting
Based on Two-step Photoexcitation
between Dye-Sensitized Layered
Niobate and Tungsten Oxide
Photocatalysts in the Presence of
Triiodide/Iodide Shuttle RedoxMediator. J Am Chem Soc 135,

16872-16884 (2013)

M Higashi, K Domen, R Abe,
Fabrication of an Eﬃcient BaTaO2N
Photoanode Harvesting a Wide Range
of Visible Light for Water
Splitting. J Am Chem Soc 135,
10238-10241 (2013)

R Abe, Recent Progress on
Photocatalytic and
Photoelectrochemical Water Splitting
under Visible Light Irradiation.
J Photochem Photobiol C:
Photochemistry Reviews (Invited review)
11, 179-209 (2010)

iCeMS Inspiring Creativity | 09

研究グループ 02

Peter Carlton グループ
減数分裂、染色体分離、超解像度顕微鏡
教員 ／ Peter Carlton（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
我々は、細胞が、細胞分裂により世代を数分裂タンパク質の役割を分子レベルで越えて遺伝情報を正確に継承するメカニ

明らかにすることで、人間の生殖問題を理

ズムを明らかにしようとしています。特解することを目指しています。

に、精子と卵子を生み出す必須の細胞分裂である減数分裂において、どのように相同

また、従来の遺伝学、生化学的アプロー

染色体の対合、組み換え、正確な染色体分

チに加えて、我々は3D-SIM（構造化照明

配が行われるのかを研究しています。減数顕微鏡法）超解像度顕微鏡など最先端の顕分裂におけるエラーは、人間の場合、不妊

微鏡技術を用いた定量的画像解析を行い、問題や先天性欠損症などの問題につながタンパク質やDNA が受けるダイナミック

ります。我々は、モデル生物線虫を用いな制御を可視化、理解しようとしていまて、線虫からヒトまで高度に保存された減す。

A Sato-Carlton, C Nakamura-Tabuchi,
S K Chartrand, T Uchino, P M Carlton,
Phosphorylation of the synaptonemal
complex protein SYP-1 promotes
meiotic chromosome segregation. J Cell
Biol 217, 555-570 (2018)
G R Kafer, X Li, T Horii, I Suetake,S Tajima, I Hatada, P M Carlton,
5-Hydroxymethylcytosine Marks Sites of
DNA Damage and Promotes
Genome Stability. Cell Rep 14,
1283-1292 (2016)

A Sato-Carlton, X Li, O Crawley,
S Testori, E Martinez-Perez,
A Sugimoto, P M Carlton, Protein
phosphatase 4 promotes chromosome
pairing and synapsis, and contributes tomaintaining crossover competence withincreasing age. PLoS Genet 10,
e1004638 (2014)

W Zhang, N Miley, M S Zastrow,
A J MacQueen, A Sato, K Nabeshima,
E Martinez-Perez, S Mlynarczyk-Evans,
P M Carlton, A M Villeneuve, HAL-2
promotes homologous pairing during
Caenorhabditis elegans meiosis byantagonizing inhibitory eﬀects ofsynaptonemal complex precursors. PLoS
Genet 8, e1002880 (2012)
P M Carlton, J Boulanger, C Kervrann,
J-B Sibarita, J Salamero,
S Gordon-Messer, D Bressan, J E Haber,
S Haase, L Shao, L Winoto, A Matsuda,
P Kner, S Uzawa, M Gustafsson, Z Kam,D A Agard, J W Sedat, Fast live
simultaneous multiwavelength
超解像度顕微鏡 3D-SIM で可視化した線虫の減数分裂

3D-SIM 超解像度顕微鏡は、従来の光学顕微鏡の前期細胞におけるシナプトネマ複合体（対合した相同染色

解像度を二倍に向上させる顕微 鏡です。ストライプ

体同士の間に重合するタンパク質複合体）状の構造化照明 (a) が蛍光分子と相互作用することで、モアレ効果 (b) を利用した演算処理により、従来の光学顕微 鏡では可視化できなかった構造を再 構成することが できます。筋 芽 細 胞の間 期 核 表面の
DA PI による可視化：(c) 従来の顕微 鏡による可視化、(d) 3D-SIM による可視化。核膜孔複合体の存在し、クロマチンの無い部分が、直径約 150nmの穴として可視化される。(Schermelleh, Carlton, etal. 2008)

10 | iCeMS Inspiring Creativity

four-dimensional optical microscopy.
Proc Natl Acad Sci U S A 107,
16016-16022 (2010)

研究グループ 03

藤田 大 士 グループ
超分子化学、ケミカルバイオロジー
教員 ／ 藤田 大士（ 准教授／ PI ）

研究概要

主要論文

複数の分子が自律的に複合体を形成し、高ベルが、生体におけるそれにはいまだ遠く

次構造を構築する現象を「自己集合」と呼及ばないという背景があります。私たちのびます。自己集合は、古くは自己集合単分

グループは、最先端の分子自己集合技術を

子膜やメソポーラス材料の作製、近年では駆使して、この化学と生物に横たわる空白

分子機械への応用などと、主に化学分野に部を開拓することに興味を持っています。

おけるものづくりの手法として注目・活用

自己集合により組み上げた巨大分子複合

D Fujita, Y Ueda, S Sato, H Yokoyama,

されてきました。このため自己集合は、一体を利用すれば、例えばタンパク質の機能

N Mizuno, T Kumasaka, M Fujita,

般に化学分野の技術・話題と認識されるこをより工学的に制御・改変することも夢物とが多く、その究極の完成形である生物・語ではなくなります。化学と生物の間に、細胞機能とは、少し切り離された文脈で語もう一つ新しい学際領域を立ち上げるのられるのが普通です。これには、今日の化が、私たちの目標です。

学者が設計・取り扱い可能な自己集合のレ

D Fujita, Y Ueda, S Sato, N Mizuno,
T Kumasaka, M Fujita, Self-assemblyof tetravalent Goldberg polyhedra from144 small components. Nature 540,563-566 (2016)

Self-Assembly of M30L60
Icosidodecahedron. Chem 1, 91-101(2016)

D Fujita, H Yokoyama, Y Ueda,
S Sato, M Fujita, GeometricallyRestricted Intermediates in the
Self-Assembly of an M12L24
Cuboctahedral Complex. Angew ChemInt Ed 54, 155-158 (2015)
D Fujita, K Suzuki, S Sato,M Yagi-Utsumi, Y Yamaguchi,
N Mizuno, T Kumasaka, M Takata,
M Noda, S Uchiyama, K Kato,M Fujita, Protein encapsulation withinsynthetic molecular hosts Nature
Commun 3, 1093 (2012)

多面体構造に基づいた自己集合の設計指針

タンパク質分子の空間的修飾

iCeMS Inspiring Creativity | 11

研究グループ 04

深澤 愛 子 グループ
有機合成化学、構造有機化学
教員 ／ 深澤 愛子（ 教授／ PI ）

主要論文

研究概要
化学の最大の醍醐味かつ使命の一つは合成に取り組んでいます。また、得られた分子レベルのものづくりであり、人類が抱新分 子の性 質や機 能の追 求を通して、光える諸問題の解決に資する新 物質を生み機 能 性 材 料 の 合 理 的 な 分 子 設 計 へと出すことに尽きます。中でも深澤グループ

フィードバックすることで、基礎有機化学とは、優れた光・電子機能性をもつ有機材料

材料科 学の双方の発展と深 化に貢献するの創製を目指し、そのための分子設計からことを目指しています。

合成 法の開拓、物性の解 明まで 包 括的に

また、精密有機 合成化学と構造有機 化

研 究しています。有機 化合 物の光・電子機学、有機 材料 化学のバックグラウンドを基

能 性を追求する上で中心的な役 割を担うに、iC eM Sの他のグループとの強 力な連

π共 役化合 物に焦点を絞り、特異な構 造

携のもと、細 胞 機 能の理 解や 制 御につな

特 性や電子共 役様式をもつ新奇なπ共 役

がる光・電子機能性分子の創製にも取り組分子を独自の発想に基づいてデザインし、む予定です。

C Wang, M Taki, Y Sato, A Fukazawa,
T Higashiyama, S Yamaguchi,
A Super-Photostable Phosphole-Based
Dye for Multiple-Acquisition STED
Imaging. J Am Chem Soc 139,
10374-10381 (2017)

H Oshima, A Fukazawa, S Yamaguchi,
Facile Synthesis of Polycyclic Pentalenes
with Enhanced Hückel Antiaromaticity.
Angew Chem Int Ed 56, 3270-3274(2017)C Wang, A Fukazawa, M Taki, Y Sato,
T Higashiyama, S Yamaguchi,
A Phosphole Oxide Based Fluorescence
Dye with Exceptional Resistance to
Photobleaching: A Practical Tool for
Continuous Imaging in STED
Microscopy. Angew Chem Int Ed 54,
15213-15217 (2015)

E Yamaguchi, C Wang, A Fukazawa,
M Taki, Y Sato, T Sasaki, M Ueda,
N Sasaki, T Higashiyama, S Yamaguchi,
Environment-Sensitive Fluorescent
Probe: A Benzophosphole Oxide with an
Electron-Donating Substituent. Angew
Chem Int Ed 54, 4539-4543 (2015)
A Fukazawa, H Oshima, Y Shiota,
S Takahashi, K Yoshizawa,
S Yamaguchi, Thiophene-Fused
Bisdehydro[12]annulene That
Undergoes Transannular Alkyne
Cycloaddition by Either Light or Heat.
J Am Chem Soc 135, 1731-1734 (2013)

当グル ープ が 開 発したリンを 含む 蛍 光 色 素 の 分 子 構 造と硫黄を含む中員環でエンドキャップしたπ電子系の分子構造

STEDイメージング像。本色素は従来の蛍光イメージング用色と、これを用いた有機薄膜トランジスタ（OFET）の顕微 鏡写素を凌駕する耐光性をもち、過酷な繰り返しイメージングに用真。この化合物は、中員環の構造特性により、高い溶解性と優

いてもほとんど褪色しない。

れた結晶性をあわせもつ。

12 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 05

古川 修 平 グループ
錯体化学、超分子化学、材料科学、ケミカルバイオロジー
教員 ／ 古川 修平（ 准教授／ PI ） 坂口 怜子（ 特定助教 ） Gavin Craig（ 特定助教 ）

主要論文

研究概要
古川グループでは、メゾスケールにおけるりました。現在は、超分子化学的手法を

金属錯体分子集合体の新しい合成手法の取り入れることで、柔らかい錯体ソフトマ

開発と、そのサイズ特異的な物性を研究しテリアルのサイズや形態を制御する合成ています。錯体化学、超分子化学を駆使して手法の開発を行っています。

分子集合体化学の基礎的な理解を行い、センサーデバイスへの融合や細胞生物学への2. ナノ孔の空いた非常に柔らかい材料を応用といった、微小環境で力を発揮する新つくる：非常に小さいナノサイズの孔（ナしい材料の創成を行います。

ノ細孔）を材料に導入するためには、その真空を維持するために材料としての硬さ

１.メゾスケール化学：化学者は一般的に、が必要だと考えられています。私たちは、分子を修飾し、新しい分子を作ることで、ゼリーのように柔らかいナノ細孔をもつ物質の性質を変えていきます。私たちの材料開発を行っています。真空を維持でグループではこれに加え、分子の数を制きる非常に安定な分子（MOP）を化学的御することで新しい物質の性質を引き出に合成し、それをうまく集合させること

すことを目的としています。その鍵となるで、コロイド粒子やゲルといったソフトマのは、メゾスケールと呼ばれる「分子サイテリアルをつくっています。この新しい材

ズとバルクサイズの間の領域」、すなわち料は、センサー、電池、エレクトロニクス、「ミクロとマクロをつなぐ領域」でいかに

細胞 生物学といった多岐にわたる応用

うまく分子を集めるかという視点です。私が期待されます。

たちは特に、配位 結合からなるフレーム

３.シグナル分子を時空間的に制御する材

ワーク材料（PCP/MOF）に注目して研究料をつくる：細胞は、分子集合体の究極を行い、その可逆的な結合生成・解離挙的なかたちです。その生き物としての活動を巧みに利用することで、フレームワー

動は、もちろん分子で行われています。

ク材料の構築素子の数をメゾスケールで私たちは、一酸化窒素、一酸化炭素、グル制御する合成手法を開発してきました。

タミン酸といったシグナル小分子を閉じ

この 手 法 によって合 成され たフレーム

込める多 孔性材料をつくり、必 要な時

ワーク材料は、その結晶サイズや形態がに、必要な場所で放出できるようにしま

綺麗に制御されており、メゾスケールでした。現在は、この材料を使った医療応のみ発現する形状記憶機能の発見に至用に挑戦しています。

A Carné-Sánchez, G A Craig, P Larpent,
T Hirose, M Higuchi, S Kitagawa,
K Matsuda, K Urayama, S Furukawa,Self-assembly of metal‒organic
polyhedra into supramolecular polymers
with intrinsic microporosity. Nat
Commun 9, 2506 (2018)
R Kawano, N Horike, Y Hijikata,
M Kondo, A Carné-Sánchez,
P Larpent, S Ikemura, T Osaki,
K Kamiya, S Kitagawa, S Takeuchi,
S Furukawa, Metal-organic
cuboctahedra for synthetic ion channels
with multiple conductance states.
Chem 2, 393-403 (2017)
S Furukawa, J Reboul, S Diring,
K Sumida, S Kitagawa, Structuringof metal‒organic frameworks at themesoscopic/macroscopic scale.
Chem Soc Rev 43, 5700-5734 (2014)
S Diring, D O Wang, C Kim, M Kondo,
Y Chen, S Kitagawa, K Kamei,
S Furukawa, Localized cell stimulation
by nitric oxide using a photoactive
porous coordination polymer platform.
Nat Commun 4, 2684 (2013)
Y Sakata, S Furukawa, M Kondo,
K Hirai, N Horike, Y Takashima,
H Uehara, N Louvain, M Meilikhov,
T Tsuruoka, S Isoda, W Kosaka,
O Sakata, S Kitagawa, Shape-Memory
Nanopores Induced in Coordination
Frameworks by Crystal Downsizing.
Science 339, 193-196 (2013)

３D プリンターにより作られた多孔性材

M O Pを重合してつくられた柔らかいゼ

多孔性材料から放出された NO により刺料のモデル。手前にあるのが MOP、奥にリー状の多孔性ソフトマテリアルを表した

激された細胞（緑色は NO を取り込んだあるのがPCP/MOF。

イラスト。

ことを表している）。

iCeMS Inspiring Creativity | 13

研究グループ 06

浜地 格 グループ
ケミカルバイオロジー、超分子バイオ材料化学
教員 ／ 浜地 格（ 連携PI ）

研究概要

主要論文

タンパク質は多彩な機能をもつ最も重ような夾雑でありながら統制の取れたソ

要な生体分子の一つです。私たちのグルー

フトでウエットな材料を、多種類の合成分

プでは、有機化学や超分子化学を武器に、子を用いて人工的に組み立てることを目タンパク質の化学、工学、生化学、化学生指した超分子バイオ材料化学も、活発に研

物学的な研究を展開しています。特に、生究しています。この研究は、生細胞有機化

きた細胞内に存在するタンパク質の構造学の構築とは逆の方向から細胞などの生と機能をそのままの状態で化学する「生細きている分子システムを理解するために

胞有機化学」という新しい研究領域の開拓

重要なアプローチとなると信じています。

が私たちの大きな目標です。また、細胞のT Miki, M Awa, Y Nishikawa,
S Kiyonaka, M Wakabayashi,
Y Ishihama, I Hamachi, A conditional
proteomics approach to identify
proteins involved in zinc homeostasis.
Nat Methods 13, 931-937 (2016)
S Kiyonaka, R Kubota, Y Michibata,
M Sakakura, H Takahashi, T Numata,
R Inoue, M Yuzaki, I Hamachi,
Allosteric activation of
membrane-bound glutamate receptors
using coordination chemistry within
living cells. Nat Chem 8, 958-967(2016)

S Onogi, H Shigemitsu, T Yoshii,
T Tanida, M Ikeda, R Kubota,
I Hamachi, In situ real-time imaging ofself-sorted supramolecular nanoﬁbers.
Nat Chem 8, 743-752 (2016)
リガンド指向性化学による天然タンパク質の選択的化学修飾

M Ikeda, T Tanida, T Yoshii,
K Kurotani, S Onogi, K Urayama,
I Hamachi, Installing Logic-gate
Responses to a Variety of Biological
Substances in Supramolecular
Hydrogel-enzyme Hybrids. Nat Chem
6, 511-518 (2014)
S Tsukiji, M Miyagawa, Y Takaoka,
T Tamura, I Hamachi, Ligand-directed
Tosyl Chemistry for Protein Labeling in
Vivo. Nat Chem Biol 5, 341-343 (2009)

化学的アプローチによる神経伝達物質受容体の可視化解析

細胞内環境を人工構築するための超分子ヒドロゲルの開発

14 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 07

長谷川 光 一 グループ
幹細胞生物学、幹細胞工学
教員 ／ 長谷川 光一（ 特定拠点講師／ PI ）

主要論文

研究概要
私たちのグループでは、ヒト多能性幹細を明らかにし、これを化合物で自由に制御

胞（ES細胞やiPS細胞）やマウス胚を主な材することで、幹細胞を用いた治療や新薬の料に、幹細胞の分化や増殖について研究を開発のための土台を作りたいと考えてい行っています。体内では、幹細胞は必要にます。

S Yasuda, T Ikeda, H Shahsavarani,
N Yoshida, B Nayer, M Hino,
N Vartak-Sharma, H Suemori,K Hasegawa, Chemically deﬁned andgrowth-factor-free culture system for the

応じて、分化能を保ったままの増殖（自己複製）と、特定の細胞種への分化を行なっ

また私たちは、インド国立科学研究センています。この幹細胞の自己複製と分化ター（NCBS）及びインド幹細胞・再生医学

は、細胞外からの情報が細胞内に伝わり、研究所（inStem）と連携して、iPS細胞を利核の中の状態や遺伝子の発現の変化に用した病態モデルの作製も行っています。

よって制御されています。かし、細胞外か

その一つは、三日熱マラリアの肝臓感染モらの情報が、これらの細胞核内の状態をどデルで、これによりマラリアの感染や増のように制御しているのか、未だによく分殖・発生、潜伏のメカニズムの解明や、薬かっていません。私たちは、この幹細胞の剤開発を目指しています。この他にも、南

自己複製と分化がどのように制御されてインドに固有な遺伝性の心筋症や、胆のういるのか解明するために、細胞外からの情

がんのモデルを作製し、これらのメカニズ

報伝達と核内制御との関連に着目して研ム研究を通して、有効な診断方法や治療方究を行なっています。また、この制御機構

法の開発を目指しています。

expansion and derivation of humanpluripotent stem cells. Nature Biomed
Eng 2 (3) 173-182 (2018)
Y Higuchi, C Nguyen, S Yasuda,
M McMillan, K Hasegawa, M Kahn,
Speciﬁc Direct Small Molecule
p300/β-Catenin Antagonists Maintain
Stem Cell Potency. Curr Mol Pharmacol
9 (3), 272-279 (2016)
M Denham, K Hasegawa, T Menheniott,
B Rollo, D Zhang, S Hough, A Alshawaf,
F Febbraro, S Ighaniyan, J Leung,
D Elliott, D F Newgreen, M F Pera,
M Dottori, Multipotent caudal neuralprogenitors derived from humanpluripotent stem cells that give rise tolineages of the central and peripheral
nervous system. Stem Cells 33 (6),1759-1770 (2015)

T G Otsuji, J Bin, A Yoshimura,
M Tomura, D Tateyama, I Minami,
ES

Y Yoshikawa, K Aiba, J E Heuser,

iPS

T Nishino, K Hasegawa, N Nakatsuji,
A Novel 3D Sphere Culture System
Containing Functional Polymers for
ヒトE S 細胞・i P S 細胞を用いた研究とその応用

Large-scale Human Pluripotent Stem
Cell Production. Stem Cell Rep 2 (5)734-745 (2014)

K Hasegawa, S Yasuda, J L Teo,
C Nguyen, M McMillan, C L Hsieh,
H Suemori, N Nakatsuji, M Yamamoto,
T Miyabayashi, M F Pera, M Kahn,
Small molecule orchestration of Wnt

iPS

signaling provides long-term xeno-free
human pluripotent cell expansion. StemCells Transl Med 1 (1), 18-28 (2012)

患者由来iPS 細胞を用いた3日熱
マラリアの肝臓感染モデルの作製

iCeMS Inspiring Creativity | 15

研究グループ 08

堀毛 悟 史 グループ
錯体化学、固体化学、材料科学
教員 ／ 堀毛 悟史（ 准教授／ PI ）

研究概要

主要論文

私たちの研究グループは化学、その中でも

T D Bennett, S Horike, Liquid, Glass

特に錯体化学、固体化学の合成技術を使っ

プロトン伝導体を作っています。さらに固体でて、環境やエネルギーの課題を解決しうる新イオン伝導・輸送を光や磁場などの刺激でス

たな固体材料を作り出すことを目的としていまイッチできる材料の合成も行っており、これらす。固体材料といってもたくさん種類はありま

はイオントランジスタ、プロトンキャパシタ、あすが、我々が取り扱う代表的な材料は金属とるいはメモリ素子として今後役立つ技術の基分子が交互に結合で連結し、ネットワーク構になると考えられます。

Coordination Polymers andMetal-Organic Frameworks, Nat Rev
Mater in press (2018)
G Zhang, G M Tsujimoto,
D Packwood, N T Duong,
Y Nishiyama, K Kadota, S Kitagawa,

造をつくる「配位高分子」と呼ばれるものです。

and Amorphous Solid States of

一方、材料科学の一つの大きな分野にガラスが挙げられます。身の回りには様々なガラ

燃料電池は酸素ガスと水素ガスから電気スがありますが、そもそもガラスの構造はランを作ることのできる古くから知られたクリーンダムであり、そのネットワーク構造を緻密に設な技術ですが、今後のより幅広い応用のため計することは簡単ではありません。我々は多には新たな材料が必要です。燃料電池の基盤となる材料の一つが水素イオン（H+、プロ

彩な特性を持ち、構造の設計ができるガラスの科学を進めています。金属と分子を多彩なトン）
を固体で輸送できるプロトン伝導体で様式でつなげ、結晶のような規則正しい構造

す。我々はプロトンを流すための構造を金属から大きく歪んだネットワーク構造までを作りと分子の組み合わせで設計し、セラミックス

上げることにより、明確な組成や構造次元性や有機ポリマーでは作動が難しい環境で働くを持つ新たなガラスの合成と機能開拓を目指しています。

S Horike, Construction of a
Hierarchical Architecture of Covalent
Organic Frameworks via a
Postsynthetic Approach, J Am Chem
Soc 140, 2602 (2018)
S S Nagarkar, S Horike, T Itakura,
B Le Ouay, A Demessence,
M Tsujimoto, S Kitagawa, Enhanced
and Optically Switchable Proton
Conductivity in Melting Coordination
Polymer Crystal. Angew Chem Int Ed
56, 4976 (2017)
M Inukai, S Horike, T Itakura,
R Shinozaki, N Ogiwara, D Umeyama,
S Nagarkar, Y Nishiyama, M Malon,
A Hayashi, T Ohhara, R Kiyanagi,
S Kitagawa, Encapsulating Mobile
Proton Carriers into Structural Defects
in Coordination Polymer Crystals: High
Anhydrous Proton Conduction and
Fuel Cell Application. J Am Chem Soc
138, 8505 (2016)

燃料電池に必要なプロトン伝導性を示す配位高分子結晶の構造。亜鉛イオンとイミダゾール分子からなる。またこの結晶中にピラニンと呼ばれる分子を入れることで、プロトン伝導の光によるスイッチングも可能となる。

W Chen, S Horike, D Umeyama,
N Ogiwara, T Itakura, C Tassel,
Y Goto, H Kageyama, S Kitagawa,Glass Formation of a Coordination
Polymer Crystal for Enhanced Proton
Conductivity and Material Flexibility.
Angew Chem Int Ed 55, 5195 (2016)

高い電子 還 元 特 性を持 つ
配位高 分 子 結晶の構 造。
内部に水素の陰イオンであるヒドリド（H−）をBH4−の形で有し、例えば二酸化炭
素ガスをより有用な分子に変換する機能や、水素ガスの大 量 貯蔵特 性が 期待される。

16 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 09

今堀 博 グループ
有機化学、光化学、薬物送達システム
教員 ／ 今堀 博（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
私たちのグループでは人工光合成と太は現状では変換効率が低いものの、柔軟

陽エネルギー変換システムの構築を目指

性、軽量性、彩色性などの利点を有していしています。特に、高効率の太陽エネル

ることから、今後の性能・耐久性向上およギー変換に有利であると考えられるフび低コスト化に期待が集まっています。

ラーレンの優れた電子移動特性（小さな最配列エネルギー）を見出しました。すなわ

私たちのグループでは色素増感太陽電

ち、フラーレンを用いれば、光励起により池、バルクヘテロ接合太陽電池、ハイブリッ

高効率・長寿命の電荷分離状態を生成する

ド太陽電池などの様々な有機太陽電池のことが可能となります。また、この特性を研究を行っています。現在、ポルフィリン

活かして有機太陽電池を始めとした有機

色素増感太陽電池において変換効率10%エレクトロニクスへの広範な応用が期待以上を達成しています。

されています。以上のようにフラーレンを用いた人工光合成と太陽エネルギー変換
は国内外で高い評価を受けています。

有機化学と光化学を基盤にして、私たち
はiCeMSの他のグループとの新規な学際融合研究を展開しています。

化石燃料の枯渇と地球環境の悪化から持続可能な太陽エネルギーを電気に変換

1．光治療を目指した光捕集メゾ材料の開発する太陽電池に注目が集まっています。し2．細胞イメージングのための発光メゾ材料

かしながら、シリコンに代表される無機太の創製

陽電池の発電コストは水力・火力発電コス

3．細胞機能制御を目指した光電荷分離

トを大幅に上回っています。有機太陽電池

メゾ材料の創製（森、見学グループ）

Y Takano, T Numata, K Fujishima,
K Miyake, K Nakao, W D Grove,
R Inoue, M Kengaku, S Sakaki, Y Mori,
T Murakami, H Imahori, Optical controlof neuronal ﬁring via photoinduced
electron transfer in donor-acceptor
conjugates. Chem Sci 7, 3331-3337(2016)

S Zhou, M Yamamoto, G Briggs,
H Imahori, K Porfyrakis, Probing
the dipolar coupling in a hetero-spin
endohedral fullerene-phthalocyanine
dyad. J Am Chem Soc 138, 1313-1319(2016)

T Higashino, T Yamada, M Yamamoto,
A Furube, N V Tkachenko, T Miura,
Y Kobori, R Jono, K Yamashita,
H Imahori, Remarkable dependence of
the ﬁnal charge separation eﬃciency on
the donor-acceptor interaction inphotoinduced electron transfer. Angew
Chem Int Ed 55, 629-633 (2016)
H Nakatsuji, T Numata, N Morone,
J E Heuser, Y Takano, Y Mori,
H Imahori, T Murakami,
Thermosensitive ion channel activationin single neuronal cells by using
surface-engineered plasmonic
nanoparticles. Angew Chem Int Ed 54,
11725-11729 (2015)

T Umeyama, J Baek, Y Sato,
K Suenaga, F Abou-Chahine,
N V Tkachenko, H Lemmetyinen,
H Imahori, Molecular interactions on
single-walled carbon nanotubes revealedby high-resolution transmission
microscopy. Nat Commun 6, 7732
(2015)

iCeMS Inspiring Creativity | 17

研究グループ 10

陰山 洋 グループ
固体化学
教員 ／ 陰山 洋（ 連携PI ）

研究概要

主要論文

酸化物をはじめとする無機化合物は、紀元

成」、「薄膜合成」
を中心に、電気化学反応、前から現代に至るまで広範な機能性材料としなどの各手法やこれらを組合せた多段階反て人類の発展に大きな貢献をしています。新応を駆使し、アニオンの反応性・サイズ・電物質の発見が常にブレークスルーとなり、未気陰性度・分極・レドックス特性・軌道準位

開の化学・物理分野が切り拓かれてきましなどの違いを活かし、アニオンが主導する革た。通常、固体化学の合成は、金属元素（カ新的な化学機能や物理機能を創出していまチオン）の組合せや比をパラメータとした固相す。特に、酸水素化物中のヒドリドを活かした反応法で行なわれますが、有機化学・高分

触媒反応、混合アニオン化合物のアニオン主子化学・錯体化学と比べ設計性に乏しく、ま導バンド制御による革新的光機能性、異種ア

た、昨世紀までの膨大な物質探索により閉塞

ニオン交替積層構造における斬新な二次元感がありました。

物性を開拓しています。このように、アニオンの多様性・設計性を活かすことによって、地陰山グループでは、「アニオン化学」の戦球上にありふれた形で存在する酸化物とは全略により新物質を創成し、新規機能を開拓しく異なる材料群を開拓し、従来の酸化物ではています。すなわち、アニオンの優れた操作実現不可能な化学・物理機能を創出してい性や、ヒドリドなど各種アニオンの個性の違ます。また、細分化された各分野を融合・統いを活かすことにより、混合アニオン化合物

合しながら、従来の固体化学の延長線上にを中心とする新物質を設計・合成する。それはない新しい学問領域を構築するとともにらを基盤として、アニオンが本質的な役割を産業的に価値のあるイノベーションへとつな果たす革新的な化学機能、物理機能を開拓

げたいと考えています。平成28 年度から文し、将来の産業応用へとつながるイノベー

科省の新学術領域研究に採択され、陰山教

ションを創出することを目指しています。具体

授を代表者としてオールジャパンで研究が進的には、「低温トポケミカル反応」、「高圧合

められていいます。

H Kageyama, K Hayashi, K Maeda,
J P Attﬁeld, Z Hiroi, J M Rondinelli,
K R Poeppelmeier, Expanding Frontiersin Materials Chemistry and Physics
with Multiple Anions. Nat Commun 9,
772/1-15 (2018)

T Yajima, M Koshiko, Y Zhang,
T Oguchi, W Yu, D Kato, Y Kobayashi,
Y Orikasa, T Yamamoto, Y Uchimoto,M A Green, H Kageyama, Selectiveand Low Temperature Transition Metal
Intercalation in the Layered Tellurides.
Nat Commun 7, 13809 (2016)
T Yajima, F Takeiri, K Aidzu,
H Akamatsu, K Fujita, M Ohkura,
W Yoshimune, S Lei, V Gopalan,
K Tanaka, C M Brown, M A Green,
T Yamamoto, Y Kobayashi,
H Kageyama, A Labile Hydride
Strategy for the Synthesis of Heavily
Nitridized BaTiO3. Nat Chem 7,
1017-1023 (2015)

Y Kobayashi, O J Hernandez,
T Sakaguchi, T Yajima, T Roisnel,
Y Tsujimoto, M Morita, Y Noda,
Y Mogami, A Kitada, M Ohkura,
S Hosokawa, Z Li, K Hayashi,
Y Kusano, J E Kim, N Tsuji,
A Fujiwara, Y Matsushita,
K Takegoshi, K Yoshimura, M Inoue,
M Takano, H Kageyama, An
Oxyhydride of BaTiO3 Exhibiting
Hydride Exchange and Electronic
Conductivity. Nat Mater 11, 507-511(2012)Y Tsujimoto, C Tassel, N Hayashi,
T Watanabe, H Kageyama,
K Yoshimura, M Takano, M Ceretti,
C Ritter, W Paulus, Inﬁnite-Layer
酸水化物内の水素化物の拡散

イオン交換反応

SrFeO2内の圧力誘起スピン遷移

Iron Oxide with a Square-Planar
Coordination. Nature 450, 1062-1065(2007)

18 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 11

影山 龍 一 郎 グループ
発生生物学、神経幹細胞生物学
教員 ／ 影山 龍一郎（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
神経幹細胞は胎児だけでなく成人の脳メージング法によって、これら３種類の因にも存在し、効率は異なりますが、いずれ子の発現が神経幹細胞では振動すること、の脳でも絶えず新たな神経細胞（ニューロ

運命決定時には選ばれた１種類の因子のン）を生み出しています。神経幹細胞が減発現が増えて持続することを見つけまし少・枯渇すると、胎児では脳形成に、成人た。次に、新たに開発した光遺伝学的方法

では記憶・学習といった高次脳機能に異常によって Ascl1 の発現を誘導しました。そが起こります。私達は、神経幹細胞の増殖の結果、Ascl1 の発現が振動すると神経幹と分化の制御を目指して、その分子機構を細胞の増殖が活性化され、Ascl1 の発現が探っています。多分化能を持った神経幹細持続するとニューロン分化が起こること

胞は自己複製をしつつ、ニューロン、アスが明らかになりました。したがって、多分

トロサイト、オリゴデンドロサイトという化能とは多種類のbHLH 因子が発現振動

３種類の細胞を生み出します。今までに、する状態で、分化決定は選ばれた１種類の塩基性領域・ヘリックス・ループ・ヘリッ

bHLH 因子が持続発現する状態であるこク ス（bHLH）因 子 で あ るAscl1/Mash1,と が 分 か り ま し た。ま た、Hes1 や Ascl1

Hes1, Olig2 が、それぞれニューロン、アに よ っ て 制 御 さ れ るNotch リ ガ ン ド

ストロサイト、オリゴデンドロサイトの運Delta-like1（Dll1）の発現も神経幹細胞で命決定を行うことがわかっていました。こ

振動しており、この発現振動が神経幹細胞

れらの因子はいずれも神経幹細胞にも発の増殖や維持に重要であることが分かり

I Imayoshi, R Kageyama, bHLH factors

現しています。私達は、タイムラプス・イました。

in self-renewal, multipotency,

A Isomura, F Ogushi, H Kori,
R Kageyama, Optogenetic perturbation
and bioluminescence imaging to analyze
cell-to-cell transfer of oscillatory
information. Genes Dev 31, 524-535(2017)K Kawaguchi, R Kageyama, M Sano,
Topological defects control collective
dynamics in neural progenitor cell
cultures. Nature 545, 327-331 (2017)
H Shimojo, A Isomura, T Ohtsuka,
H Kori, H Miyachi, R Kageyama,
Oscillatory control of Delta-like1 in cellinteractions regulates dynamic
gene expression and tissuemorphogenesis. Genes Dev 30, 102-116(2016)

and fate choice of neural progenitor
cells. Neuron 82, 9-23 (2014)
I Imayoshi, A Isomura, Y Harima,
K Kawaguchi, H Kori, H Miyachi,
T K Fujiwara, F Ishidate, R Kageyama,
Oscillatory control of factors
determining multipotency and fate inmouse neural progenitors. Science
342, 1203-1208 (2013)

多 分化能状態と運命決定時における bH L H 因子の発 現 動態。多分化能状態の神経幹細胞では多種類の bHLH 因子の発現が振動するが、分化決定時には選ばれた１種類の因子の発現が増えて持続する。

連結オシレーターの振動停止。Dll1 の発現のタイミングに依存して、隣接細胞における Hes1/7 の発現が未分節中胚葉(PSM) のように同位相で振動したり（左）、神経幹細胞のように逆位相で振動する（右）。また、Dll1 の発現を加速化あるいは遅延化すると、振動は停止する。

iCeMS Inspiring Creativity | 19

研究グループ 12

亀井 謙一 郎 グループ
マイクロ・ナノエンジニアリング、幹細胞工学
教員／亀井謙一郎（ 准教授／ PI ） Rodi Abdalkader（ 特定助教 ）

研究概要

主要論文

亀井グループで現在行っている研究ので、iPS 細胞から機能的な組織を作製する

目的は、「生物」を「一つの小さなデバイス」

ためには、その組織特異的な細胞外微小環に再現することです。これを私たちは「ボ境を提供する必要があり、そのためにもマディー・オン・チップ」と名付けています。

イクロ／ナノ工学と材料科学の融合が必

これは、生理学的・病理学的な状況・反応

要となります。

を生体外において再現することができるデバイスであり、生命現象の理解をより深私たちはこの研究を基に、以下に掲げる

めるだけでなく、創薬などにおいても前臨

応用領域も目指しています。

床試験における動物モデルの代替となる

1．個別化医療の実現化「ヒトモデル」となります。この目的を達成

2．地球上に住む動物たちを救う試み

するためには、複数の組織・細胞とそれら

3．次世代創薬スクリーニング

を結ぶ循環器を人工的に創出する必要があります。マイクロ組織を創出するため

私たちのグループの究極の目標は、生体に、人工多能性幹細胞（iPS 細胞）は最もが構成され機能を発揮するその仕組を、細適した細胞です。iPS 細胞を使用すること

胞をデバイスの中で組み上げながら理解すで、ゲノム情報が統一化された複数の組織ることです。この過程の中で、幹細胞生物を準備することが可能になり、無限回の自学・ケミカルバイオロジー・物理学・マイク

己複製能を持つことから、必要な量の組

ロ／ナノ工学・材料科学を融合することが、織・細胞を準備することができます。一方研究を加速付ける鍵だと信じています。

K Kamei, Y Kato, Y Hirai, S Ito,
J Satoh, A Oka, T Tsuchiya, Y Chen
and O Tabata, Integrated Heart/Cancer
on a chip to reproduce the side eﬀects
of anti-cancer drug in vitro RSC
Advances 7, 36777-36786 (2017)
K Kamei, Y Mashimo, M Yoshioka,
Y Tokunaga, C Fockenberg, S Terada,
M Nakajima, T Shibata-Seki, L Liu,
T Akaike, E Kobatake, E S How,
M Uesugi, Y Chen, icroﬂuidic-nanoﬁber
hybrid array for screening of cellular
microenvironments. Small, 13 (18),1603104 (2017)

L Liu, K Kamei, M Yoshioka,
M Nakajima, J J Li, N Fujimoto,
S Terada, Y Tokunaga, Y Koyama,
H Sato, K Hasegawa, N Nakatsuji,
Y Chen, Nano-on-micro ﬁbrous
extracellular matrices for scalable
expansion of human ES/iPS cells.
Biomaterials 124, 47-54 (2017)
K Kamei, Y Koyama, Y Mashimo,
M Yoshioka, C Fockenberg,
M Nakashima, R Mosbergen, O Korn,
J Li, C Wells and Y Chen,
Characterization of phenotypic andtranscriptional diﬀerences in humanpluripotent stem cells under two- andthree-dimensional culture
conditions. Adv Healthcare Mater
5 (22), 2951-2958 (2016)

組織と循環器を「ボディー・オン・チップ」へ

細胞外微小環境によるヒト多能性幹細胞制御

S Diring, D O Wang, C Kim, M Kondo,
Y Chen, S Kitagawa, K Kamei,
S Furukawa, Localized cell stimulation
by nitric oxide using a photoactive
porous coordination polymer platform.
Nat Commun 4, 2684 (2013)

ファイバー・オン・ファイバー上のヒトES細胞

20 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 13

見学 美 根 子 グループ
神経発生生物学、細胞生物学
教員／見学 美根子（ 教授／ PI ） 藤島 和人（ 特定助教 ） 中澤 直高（ 特定助教 ）

主要論文

研 究概要
多細胞生物の組織が形作られ機能を発いて、細胞内のダイナミックな分子間相互現する上で、細胞の形と位置が正しく制御作用による細胞構造の形や運動性の変化されることが必須です。哺乳類脳では数百を明らかにすることを目指します。また億個と概算されるニューロンが整然と配ニューロンの細胞・分子運動を可視化する

置し、それぞれ複雑な突起を伸展して特異ためのイメージング技術を同時に開発し的な神経回路を形成しています。発生中のていきます。
以下3つを主な研究テーマとします。

さらに複雑に分岐した樹状突起と軸索を伸展させることによって特定の相手とシ

1．ニューロン移動におけるオルガネラ輸

ナプス結合します。これらの細胞運動は細送を司る細胞骨格運動のライブイメー

胞骨格および細胞膜分子の構造的・化学的

ジング解析

活性の動的な変化により制御されると考えられますが、その複雑な時空間的制御についてはほとんど明らかでありません。
私 達 は ニ ュ ー ロ ン の 細 胞 運 動、特 に

H Mizuno, S J Lee, T Uemura,
K Sakimura, M Mishina, N Watanabe,
M Kengaku, MTSS1 regulation ofactin-nucleating formin DAAM1 indendritic ﬁlopodia determines ﬁnal
dendritic conﬁguration of Purkinje cells.
Cell Rep 24, 95-106 (2018)

ニューロンは極めて躍動的で、分裂層から脳内の機能部位まで長距離を細胞移動し、K Kawabata-Galbraith, K Fujishima,

2．樹状突起分岐パターン形成の生物学
的・物理学的原理の解明
3．ニューロンの細胞運動の分子動態を可視化するイメージング技術の開発

ニューロン移動と樹状突起形成過程におY K Wu, H Umeshima, J Kurisu,
M Kengaku, Nesprins and opposing
microtubule motors generate a point
force driving directional nuclear motion
in migrating neurons. Development
145, pii: dev158782 (2018)
H Nakatsuji, K Kawabata-Galbraith,
J Kurisu, H Imahori, T Murakami,
M Kengaku, Surface chemistry forcytosolic gene delivery andphotothermal transgene expression by
gold nanorods. Sci Rep 7, 4694 (2017)
K Fukumitsu, K Fujishima, A Yoshimura,
Y K Wu, J Heuser, M Kengaku,
Synergistic action of dendritic
mitochondria and creatine kinase
maintains ATP homeostasis and actin
dynamics in growing neuronal

脳皮質 神経回路形成の原理に迫り試験管内で回路の再構築を目指す

dendrites. J Neurosci 35, 5707-5723(2015)K Fujishima, R Horie, A Mochizuki,
M Kengaku, Principles of branch
dynamics governing shapecharacteristics of cerebellar Purkinje cell
dendrites. Development 139, 3442-3455

人工材料を用いた回路の再構築(2012)

培養再構成系における高解像・長時間イメージングと細胞運動制御機構の解析

iCeMS Inspiring Creativity | 21

研究グループ 14

北川 宏 グループ
固体物性化学、錯体化学、無機化学、ナノ科学
教員 ／ 北川 宏（ 連携PI ）

研究概要

主要論文

21 世紀では、生体機能にみられるよう状態の多様性と有機配位子の多様な設計な柔軟性と多様性を持った新しい分子素性をうまく組み合わせて、「特異な結晶構子の出現がますます期待されています。そ造・電子構造」をもつ新物質を創製し、「量の実現に向けての基本的な構想はいまだ

子サイズ効果」、「非線形電気伝導」、「非線

模索の段階にありますが、我々は電子と水形光学効果」、「誘電応答」、「各種揺らぎ効素（プロトン）の融合による革新的科学技果」に基づく新規機能性や物性の発現を目術（プロトエレクトロニクス）の確立が一指し、「分子素子」や「プロトエレクトロニ

つの突破口になるものと考えています。当クス」の実現に向けた基盤の確立を目標に

研究室ではこの研究方針のもと、量子力学

しています。研究対象は、無機化合群を中的な電子相（超伝導相、強磁性相、強誘電心として、低次元強相関電子系、強い負Ｕ

相、金属相、絶縁体相など）とイオン相（特相互作用を有する混合原子価物質、電荷移にプロトンによる超イオン伝導相、トンネ

動錯体、配位高分子、金属ナノ粒子、有機リング現象、量子常誘電相）の自在構築・伝導体、水素吸蔵物質、超プロトン伝導体制御を目指しています。金属イオンの電子などです。

S Sakaida, K Otsubo, O Sakata,
C Song, A Fujiwara, M Takata,
H Kitagawa, Crystalline Coordination
Framework Endowed with Dynamic
Gate-Opening Behaviour by Being
Downsized to a Thin Film. Nat Chem
8, 377-383 (2016)
H Kobayashi, K Kusada, H Kitagawa,Creation of Novel Solid-Solution
Alloy Nanoparticles on the Basis of
Density-of-States Engineering byInterelement Fusion. Acc Chem Res
48, 1551-1559 (2015)
G Li, H Kobayashi, J M Taylor,
R Ikeda, Y Kubota, K Kato, M Takata,
T Yamamoto, S Toh, S Matsumura,
H Kitagawa, Remarkably Enhanced
Hydrogen-Storage Capacity and Speed
in Pd Nano Crystals Covered with a
Metal-Organic Framework. Nat Mater
13, 802-806 (2014)
T Yamada, K Otsubo, R Makiura,
H Kitagawa, Designer Co-ordination
Polymers: Dimensional Crossover
Architectures and Proton Conduction.
Chem Soc Rev 42, 6655-6669 (2013)
K Otsubo, Y Wakabayashi, J Ohara,
S Yamamoto, H Matsuzaki,
H Okamoto, K Nitta, T Uruga,
H Kitagawa, Bottom-up Realization of
A Porous Metal-organic Nanotubular
Assembly. Nat Mater 10, 291-295

ハイブリッド系（ 有機電子材料 ）金属ナノ粒子（ 水素吸蔵体 ）22 | iCeMS Inspiring Creativity

プロトン移動（ 光スイッチ素子 ）光電荷分離（ 水の光分解触媒 ）超イオン電導（ 固体電解質 ）(2011)

研究グループ 15

北川 進 グループ
錯体化学
教員／北川 進（ PI ） 田中 晃二（ 特任教授 ） 大竹 研一（ 特定助教 ）

主要論文

研究概要
1. 新しい気体の科学・技術のための2. 階層的錯体化学

M Shivanna, Q-Y Yang, S Sen, A Bajpai,
N Hosono, S Kusaka, T Pham,

多孔性材料開発

自然界の物質には多くの階層構造が存在

多孔性材料は古代エジプトの時代（活性します。例えば生体の組織構造がより小さ炭）から現代（ゼオライトなど）に至るな細胞の組み合わせから組織、臓器という3500 年にわたって人類の生活に不可ように複雑かつ階層的に結合し、より大き欠のものとして利用されてきました。

な機能性構造体を造っています。このよう我々のグループでは、多孔性配位高分なサイズスケールを横断した階層的構造

子（PCP/MOF）と呼ばれる新しい多孔は、材料の機能や性質を決める上で非常に性金属錯体材料を利用して、これまで重要な役割を担っています。我々のグルーにない気体の科学を開拓しています。

プでは、この階層構造の原理を空間の錯体

PCP/MOFの非常に高い比表面積と柔化学（配位空間の化学と呼ぶ）へと展開し、軟な構造デザイン性を活用して、大気

ナノメートルサイズから巨視的サイズに中に豊富に存在する気体分子を捕捉・渡るPCP/MOFの構造と機能の階層化を目

for Divergent and Convergent Star

分離・変換することのできる多孔性材

指しています。階層化に必要な方法論の開Polymer Synthesis. J Am Chem Soc料を開発し、喫緊の環境・エネルギー問

拓と、階層構造によって引き出されるシナ

題の解決を目指しています。

ジスティックな機能を見出し、階層的錯体化学の学問領域を開拓しています。

K A Forrest, B Space, S Kitagawa,
M Zaworotko, Readily Accessible
Shape-Memory Eﬀect in a Porous
Interpenetrated Coordination Network.
Sci Adv 4, eaaq1636 (2018)
S Kitagawa, Future Porous Materials.
Acc Chem Res 50, 514-516 (2017)
N Hosono, M Gochomori, R Matsuda,
H Sato, S Kitagawa, Metal-Organic
Polyhedral Core as a Versatile Scaﬀold

138, 6525-6531 (2016)
S Kitagawa, Porous Materials and theAge of Gas. Angew Chem Int Ed 54,
10686-10687 (2015)

H Sato, W Kosaka, R Matsuda, A Hori,
Y Hijikata, R V Belosludov, S Sakaki,
M Takata, S Kitagawa, Self-Accelerating
CO Sorption in a Soft Nanoporous
Crystal. Science 343, 167-170 (2014)

iCeMS Inspiring Creativity | 23

研究グループ 16

松田 道 行 グループ
バイオイメージング、細胞生物学、病理学
教員 ／ 松田 道行（ 連携PI ）

研 究概要

主要論文

われわれはしばしばとぼけていますが、センサーを開発してきました。FRET バイ

プラスチック皿の上の細胞は生きた組織のオセンサーを発現する細胞を経時観察する中の細胞とは全く異なるものです。しかことで、情報伝達分子の活性はさまざまなし、生化学や分子生物学が全盛の時代で

時間スケールで揺らいでいることや、細胞は、対象とする分子を詳細に解析するため増殖因子の信号が細胞間でコミュニケーに均一な細胞が多数必要で、培養皿上の細ションをするのに使われていることなどを胞を使わざるを得ませんでした。生化学や見出しています。近年には、二光子顕微鏡

分子生物学の最初のステップは、細胞を溶下に観察するのに十分な量のFRET バイオ

かすことに始まりますが、この方法は対象センサーを発現するトランスジェニックとする分子の細胞内空間情報を失わせてしFRET マウスの作成プロトコールを確立しまいます。この問題に挑戦するために、わました。この FRET を使って、マウスの皮

たしたちは細胞内情報伝達分子の活性を測

膚基底細胞で上皮細胞増殖因子による活性定するバイオセンサーを開発しています。

化が周囲の細胞に打ち上げ花火のように伝これらのバイオセンサーはフェルスター共播する現象を発見し、ERK 活性放射状空間

鳴エネルギー移動（FRET）の原理に基づい

伝播、SPREAD、と命名しました。さらにていますので、FRET バイオセンサーと総多くのFRETマウスが開発されています。

称されています。これまでに私たちの研究

そのようなFRETマウスを使って、誰も夢

室では低分子量G タンパク質、タンパク質

見たことも無いような現象を発見できるもリン酸化酵素、および脂質のFRET バイオのと期待しています。

Y Konagaya, K Terai, Y Hirao,
K Takakura, M Imajo, Y Kamioka,
N Sasaoka, A Kakizuka, K Sumiyama,
T Asano, M Matsuda, A Highly
Sensitive FRET Biosensor for AMPKExhibits Heterogeneous AMPKResponses among Cells and Organs.
Cell Rep 21, 2628-2638 (2017)
K Aoki, Y Kondo, H Naoki,
T Hiratsuka, R E Itoh, M Matsuda,
Propagating wave of ERK activation
orients collective cell migration. Dev
Cell 43, 305-317 (2017)
T Hiratsuka, Y Fujita, H Naoki,
K Aoki, Y Kamioka, M Matsuda,
Intercellular propagation of
extracellular signal-regulated kinase
activation revealed by in vivo imaging
of mouse skin. eLife 4, e05178, (2015)
R Mizuno, Y Kamioka, K Kabashima,
M Imajo, K Sumiyama, E Nakasho,
T Ito, Y Hamazaki, Y Okuchi, Y Sakai,
E Kiyokawa, M Matsuda, In vivo
imagin g reveals PKA regulation of
ERK activity during neutrophil
recruitment to inﬂamed intestines.
J Exp Med 211, 1123-1136 (2014)
K Aoki, Y Kumagai, A Sakurai,
N Komatsu, Y Fujita, C Shionyu,

C6 悪性膠芽腫細胞のスフェロイド浸潤アッセー。

ERK セリンスレオニンリン酸化酵素の FRET バイオセンサーを発現する

Raichu - Rac1 FRE T バイオセンサーを発現する

トランスジェニックマウス。FRET バイオセンサーを発現する新生児トラン

C6 悪性膠芽腫細胞をマトリゲルに包埋して共焦点

スジェニックマウスを白色灯（左上）および青色光と蛍光フィルターを使っレーザー顕微鏡下で観察した。FRET バイオセンて（左下）観察した。
（右図）胎齢 14.5 日のマウスの脳の横断面を共焦点サーで可視化した Rac1 活性は擬似カラーで示しレーザ顕微鏡で観察した。擬似カラーで ERK 活性を示している。

ている。Rac1 活性が、浸潤する細胞の葉状突起で高く、中心に残る細胞では低いことがわかる。

0min

5min

10min

15min

20min

マウス耳介皮膚細胞における ERK 活性放射状空間伝播、SPREAD。FRETバイオセンサーを発現するトランスジェニックマウスの ERK 活性を多光子顕微鏡下に観察した。耳介皮膚細胞の経時観察の代表的写真。ERK 活性は擬似カラーで示している。

24 | iCeMS Inspiring Creativity

M Matsuda, Stochastic ERK activationinduced by noise and cell-to-cell
propagation regulates celldensity-dependent proliferation. Mol
Cell 52, 529-540, (2013)

研究グループ 17

森 泰 生 グループ
分子生物学、生理学
教員 ／ 森 泰生（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
私の研究は、有機化学を研究の原点とオンチャネルを持つ細胞や組織の新たなしています。その後、イオンチャネルの生働きを探り出す研究を行っています。特化学・分子生物物理学の分野へと進みましに、体がどのように酸素を感じるか、どのた。このことから、当初は、神経細胞の前ように作られたエネルギーを感じ、それらシナプスで神経伝達物質の放出を司る
Ca2+流入を担うイオンチャネル群の分子に生体が適応し変化をとげるかに興味を
持 っ て い ま す。ま た、Ca2+流 入 イ オ ン

実体を解明してきました。今は、しかし、チャネルが生理的に機能を発揮する場でchannel activators identiﬁes novel

ユニークな機能を発揮するイオンチャネ

ある、神経系の前シナプスアクティヴゾー

neurotrophic piperazine compounds. Molルが中心となって、他の分子群との相互作ンという細胞内の微小構造にも興味があ

用を介しながら作動する、生体内のシステります。病態解明、創薬やイオンチャネル

ムに興味を持っています。つまり、イオン

デバイス工学など応用科学分野だけでな

チャネルの新たな機能（何を感じ、どんなく、イオンチャネルの進化科学といった基イオンを細胞に取り入れたり細胞から吐礎学問までを視野において、統合的に研究き出したりするか）を明らかにし、そのイしていきたいと思っています。

S Sawamura, M Hatano, Y Takada,
K Hino, T Kawamura, J Tanikawa,
H Nakagawa, H Hase, A Nakao,
M Hirano, R Rotrattanadumrong,
S Kiyonaka, M X Mori, M Nishida, Y Hu,
R Inoue, R Nagata, Y Mori, Screening oftransient receptor potential canonicalPharmacol 89, 348-63 (2016)
S Kiyonaka, T Kajimoto, R Sakaguchi,
D Shinmi, M Omatsu-Kanbe, H Matsuura,
H Imamura, T Yoshizaki, I Hamachi,
T Morii, Y Mori, Genetically encoded
ﬂuorescent thermo-sensors for visualizing
subcellular thermoregulation in living
cells. Nat Methods 10, 1232-1238 (2013)
N Takahashi, T Kuwaki, S Kiyonaka,
T Numata, D Kozai, Y Mizuno,
S Yamamoto, S Naito, E Knevels,
P Carmeliet, T Oga, S Kaneko, S Suga,
T Nokami, J Yoshida, Y. Mori, TRPA1
underlies a sensing mechanism for O2.

Nature Chem Biol 7, 701-711 (2011)
熱を産生する褐色脂肪細胞内の温度分布をプローブtsGFP1-mito で見る。

S Yamamoto, S Shimizu, S Kiyonaka,
N Takahashi, T Wajima, Y Hara,
T Negoro, T Hiroi, Y Kiuchi, T Okada,
S Kaneko, I Lange, A Fleig, R Penner,
M Nishi, H Takeshima, Y Mori,
TRPM2-mediated Ca2+ inﬂux induces
chemokine production in monocytes that
aggravates inﬂammatory neutrophil
inﬁltration. Nature Med 14, 738-747(2008)S Kiyonaka, M Wakamori, T Miki, Y Uriu,
M Nonaka, H Bito, A M Beedle, E Mori,Y Hara, M De Waard, M Kanagawa,
M Itakura, M Takahashi, K P Campbell,
Y Mori, RIM1 confers sustained activity
and neurotransmitter vesicle anchoring topresynaptic Ca2+ channels. Nature
Neurosci 10, 691-701 (2007)

酸素センサーイオンチャネルTRPA1 を取りかかりに、生体内にある酸素レベルを見張る仕組みを解明する。

iCeMS Inspiring Creativity | 25

研究グループ 18

Ganesh Pandian Namasivayam グループ
生物模倣的エピジェネティックコード、治療のための遺伝子調節
教員 ／ Ganesh Pandian Namasivayam（ 講師／ PI ）

主要論文

研究概要
現代の配列決定技術および「オミックス

る遺伝子およびノンコーディングRNAの（Omics）」ツールのおかげで、細胞運命の人為的制御が可能な生物模倣的エピジェネ

制御や複雑な疾患に関係する、細胞に隠さティックコードを設計します。また同様に、幹れた暗号を解読することができるようになり細胞内の遺伝子転写プログラムを変更し、ました。しかしこの暗号を時間的･位置的にそれらを希望の細胞タイプ（機能的心筋細正しく調節しようとすると、そのために実際

胞、軟骨細胞、ニューロンなど）へと導くに利用できるツールと、これまでに解明･蓄ための合成分子コードの設計にも取り組み積されてきた知見との間に、依然として大きます。
「MITO−PIP」と呼ばれるミトコンドリ

な開きがあります。私 た ち の 研 究 室 は、重アの遺伝子スイッチの開発に初めて成功し

要な生物情報を活用し、治療に関わる重要たことを励みとして、私たちは、希少疾患にな遺伝子のスイッチを時空間的にオン・オ

関係するミトコンドリア遺伝子の化学的フ す る た め の 生 物 模 倣 的（バ イ オ ミ メ

制 御 を 可 能 に す るため、開発した分子コー

ティック）な合成分子コードの創出に取りドの研究をさらに進めています。患者や医組 ん で い ま す。私たちは、エピジェネティッ

師からは、生物学的製剤よりも小分子の使ク（後成的）な酵素の合成調節因子をプロ用が好まれるため、私たちが開発する合成

グラミング 可能なDNA 結合小分子に統合

分子コードは、治療のための遺伝子調節やし、生殖細胞や幹細胞、網膜細胞、癌細胞、再生医療において活用される可能性を宿しアルツハイマー病、自閉症、肥満に関連すています。

J Taniguchi, Ganesh N Pandian,
Y Feng, F Hashiya, T Hidaka,
K Hashiya, S Park, T Bando, S Ito andH Sugiyama, Biomimetic artiﬁcial
epigenetic code for targeted acetylationof histones. J Am Chem Soc 140,7108-7115 (2018)

T Hidaka, Ganesh N Pandian,
J Taniguchi, T Nobeyama, K Hashiya,
T Bando, H Sugiyama, Creation of asynthetic ligand for mitochondrial DNA
sequence recognition andpromoter-speciﬁc transcription
suppression. J Am Chem Soc 139,
8444-8447 (2017)

J Taniguchi, Ganesh N Pandian,
T Hidaka, K Hashiya, T Bando, K Kim,
H Sugiyama, A synthetic DNA-binding
inhibitor of SOX2 guides humaninduced pluripotent stem cells to
diﬀerentiate into cardiac mesoderm.
Nucleic Acids Res 45, 9219-9228 (2017)
Ganesh N Pandian, H Sugiyama,
Nature-inspired design of smart
biomaterials using the chemical biologyof nucleic acids. Bull Chem Soc J 89,
843868 (2016)

Ganesh N Pandian, J Taniguchi,
S Junetha, S Sato, C Anandhakumar,
A Saha, T Bando, H Nagase,
H Sugiyama. Distinct DNA-based
epigenetic switches trigger
transcriptional activation of silent genes
in human dermal ﬁbroblasts. Sci Rep 4,e3843 (2014)

細胞の運命決定を制御するスマート・バイオマテリアルを作る

26 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 19

Daniel Packwood グループ
理論化学、応用数学
教員 ／ Daniel Packwood（ 講師／ PI ）

主要論文

研究概要
ナノ構造をデザインして目的の機能を成」というパラダイムを拓こうとする。

引き起こすことは材料科学の本質である。

D M Packwood, T Hitosugi, Material
informatics for self-assembly offunctionalized organic precursors on

本グループでは理論を中心とし、非従来型

これまで、このアプローチを多くの材料の薄膜材料や半導体材料を作成するために適用し、2次元分子集合体の構造を第一の「デザイン原理」を目指している。具体的原理から予測できる方法、2次元分子集合には、「ナノ構造の予測」、「ナノ構造に対す体の構造を制御するためのルール、酸化物

D M Packwood, P Han, T Hitosugi,

る制御ルール」、そして「ナノ構造と機能の薄膜の組成を予測できる数理モデルなど

Chemical and Entropic Control of the

相関の解明」という課題に取り組み、計算に成功した。今後はこれらの理論の適用範

Molecular Self-Assembly Process. Nat

物理・数理モデリング・情報科学の幅広い囲を拡大し、結果となる理論を厳密に解析理論を統合したアプローチに活用する（図して、かつてない機能を示す材料を作成す

1）。研究成果を社会へフィードバックするためのデザイン原理を絞り込む。また、るためにiCeMS内外の材料合成グループ

細胞中の構造の形成過程から何らかのヒと協働研究を積極的に行い、デザイン原理

ントを得られると考えられるので、iCeMS

を実際に活用しながら「理論駆動材料作の細胞研究者との連携も重視している。

metal surfaces. Nat Commu 9, 2469
(2018)

Commum 8, 14463 (2017)
D M Packwood, Bayesian Optimization
for Materials Science. SpringerBriefs in
the Mathematics of Materials (volume3). Springer, Singapore (2017)
D M Packwood, T Hitosugi, Rapid
prediction of molecule arrangements on
metal surfaces via Bayesian
optimization. Appl Phys Express 10,065502 (2017)

D M Packwood, S Shiraki, T Hitosugi,
Eﬀects of collisions on the
stoichiometry of thin ﬁlms prepared bypulsed laser deposition. Phys Rev Lett
111, 036101 (2013)

iCeMS Inspiring Creativity | 27

研究グループ 20

Easan S i van i ah グループ
材料科学、分離技術
教員／ Easan Sivaniah（ 教授／ PI ） 山口 大輔（ 特定准教授 ） Behnam Ghalei（ 特定助教 ）

主要論文

研究概要
シバニアグループは、化学と生物学的観点を組み合わせることで、省エネかつ環境に優から材料を操作し、その二つのインターフェイ

しい分離技術の開発も行っています。我々がスの構築を目指しています。

開発したナノ多孔体を構築する革新的な手法
は（Nature Materials 11, 53-57; 2012）、

近年、私たちは細胞移動の誘導因子を突き止める、スマートな構造をもつバイオマテリ

環境問題において重要な気体の分離処理に貢献することが期待されます。

アルに関する論文を発表してきました。特に、3これらの材料は腎臓や呼吸器不全といっ場の構築（Biomaterials 31, 2201-2208;

た組織工学が抱える重大な課題だけでなく、

2010）、細胞の走機械性を探る二次元ゲル

世界的な水資源問題や地球温暖化問題と（ 細 胞 空 間 的に剛 度 が 変 化する）の 創 出言った主要な課題の解決にも貢献します。

（Advanced Materials 24, 6059-6064;

K Doitomi, S Furukawa, H Hirao,
H Kusuda, S Kitagawa, E Sivaniah,
Enhanced selectivity in mixed matrix
membranes for CO2 capture througheﬃcient dispersion of
nanoparticles. Nat Energy 2, 17086(2017)

Q Song, S Jiang, T Hasell, M Liu,
S Sun, A K Cheetham, E Sivaniah,
A I Cooper, Porous Organic Cage Thin

2012、菌や酵素の働きを利用したバイオプラ

具体的には、低コストかつ高精度に二酸化スチックの合成、などの研究成果が挙げられ炭素を分離できる材料を利用すれば、大気中ます。
これらをもとに、バイオナノテクノロジーの二酸化炭素の増加に体する唯一の解決策

を通して産業に役立つ技術やそれにつながるとなります。

原理の発見を目標としています。

同様に、人工肺として利用できる材料は、その高い酸素分離精度から医療面だけにとどまら研究のみならず、化学合成と生合成の両手法

K Wakimoto, A P Isfahani, Q Song,

amine-functionalised MOF

次元構造が細胞移動に与える影響を探る足ソフトマターを用いたバイオテクノロジーのB Ghalei, K Sakurai, Y Kinoshita,

ず、
自動車の燃費向上といった課題解決にも貢献できます。

Films and Molecular-Sieving
Membranes. Adv Mater 28 (13),2629-2637 (2016)

Q Song, S Cao, R Pritchard, B Ghalei,
E Terentjev, S A Al-Muhtaseb,
A K Cheetham, E. Sivaniah, Controlled
thermal oxidative crosslinking ofpolymers of intrinsic microporsity fortunable molecular sieve memrbanes.
Nat Commun 5, 4813 (2014)
Q Song, C Cao, L Lu, P Zavala-Rivera,
W Li, Z Shuai, A K Cheetham,S A Al-Muhtaseb, E Sivaniah,
Photo-oxidative enhancement ofpolymeric molecular sieve membranes.
Nat Commun 4, 1918 (2013)
S Sangiambut, K Channon,

膜材はコーヒーフィルターから我々の細胞まで様々な用途で利用されます。そして膜材はあらゆる分子を効率的に分離する機構を有しています。

N M Thomson, S Sato, T Tsuge,
Y Doi, E Sivaniah, A robust route to
enzymatically functional,
hierarchically self-assembled peptide
frameworks. Adv Mater 25 (19),2661-2665 (2013)

Cover image ( L to R ):1. 材料中で細胞が検知する有効応力を変える為の位相幾何学の利用
2. 自己集合生体分子を用いた酵素母核の開発
3. ユニークなかご状構造を持つガス分離膜材の開発

28 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 21

杉村 薫 グループ
生物物理学、発生生物学
教員／杉村 薫（ 特定拠点准教授／ PI ）

主要論文

研究概要
個体発生とは、体の前後軸などの空間術的困難を解決するために、私たちは、非情報をもとに、細胞が増殖•分化し、組織

侵襲的に力を定量できる力のベイズ推定が変形することで、生き物が形づくられ法を開発しました。そして、力のベイズ推る過程です。このとき、体を引きのばす、定法と共同研究者が開発した変形の定量

曲げるなどの変形を駆動するのが機械的手法を統合することで、上皮組織の力と変な力です。個体発生を制御する主要なシ形を一元的に定量する強力なパイプライ

グナル伝達経路が同定された今、「機械的ンを構築しました。最近では、組織の力とな力がいかにして生き物の形をうみだす

変形の時空間動態の実験データと対応可のか？」という問いに注目が集まっていま

能な新しいクラスの連続体理論を構築しす。このような問いは、一般に力学というています。これらの変形を駆動する物理量

学問で扱われます。物質に力をかけたととしての力の役割の解析に加えて、機械的

きにどれくらい変形するのかは、それぞな力が上皮形態形成を司る空間情報をれの物質の機械物性により決まり、この

コードすることを示しました。さらに、こ力と変形、機械物性の関係を理解するのの過程で、細胞のメカノセンシングを担うが力学です。生体組織でこの三者の関係

アクチン細胞骨格制御を同定しました。こを調べることは難しく、研究が進んでいのように、「機械的な力」をキーワードに、ませんでした。

技術開発、上皮組織形態形成、ソフトマ

力の生体内計測が困難であるという技

K Ikawa, K Sugimura, AIP1 and coﬁlin
ensure a resistance to tissue tension andpromote directional cell rearrangement.
Nat Commun 9, 3295 (2018)
M Arata, K Sugimursa, T Uemura, The
diﬀerence in Dachsous amounts between
migrating cells coordinates the directionof collective cell migration. Dev Cell 42,479-497 (2017)

S Ishiahra, P Marcq, K Sugimura, Fromcells to tissue: A continuum model ofepithelial mechanics.
Phys Rev E 96, 022418 (2017)
Ishimoto Y, Sugimura K. A mechanicalmodel for diversiﬁed insect wing margin
shapes. J Theor Biol 427, 17-27 (2017)

ター物理理論など、多岐にわたる領域で研K Sugimura, P F Lenne, F Graner,

究を進めています。

Measuring forces and stresses in situ inliving tissues. Development 143, 186-196(2016)

力のベイズ推定法：力のベイズ推定法は、各細胞の圧力（ P）と細胞接着面の張力（ T）の釣り合い方程式を解くことで、細胞の形態画像からこれらの力の相対値を推定する。画像はショウジョウバエの翅上皮。
（ J Theor Biol 313C : 201-211（2012））

ショウジョウバエ蛹翅 上 皮の形態形
成の定量 解 析：二万細胞を追 跡した
データをもとに、全変形（青）、細胞分裂（緑）、細胞配置 換え（ピンク）、細胞形態変化（水色）の時空間発展を定量した。
（eLife4: e08519（ 2016））

iCeMS Inspiring Creativity | 29

研究グループ 22

杉山 弘 グループ
ケミカルバイオロジー

教員／杉山 弘（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
杉山グループは核酸のケミカルバイオ化、さらに様々な病気の治療に用いること

ロジーについて研究を行っています。有機のできる、人工遺伝子スイッチの開発で合成と分子生物学を用いて、核酸の分子認す。

識、反応性、構造について化学的な原理を追求し、効率の高い配列特異的DNA作用

塩基配列特異的DNA結合分子であるピ剤の開発、核酸の構造と機能を理解するた

ロール・イミダゾールポリアミドの分子設

めの非天然核酸のデザイン、生細胞内での計と細胞生物学への応用について研究をDNAの構造解析の手法の開発、DNAナノ行っています。特異的な遺伝子発現の抑制

テクノロジーを基盤とした１分子イメーや活性化などの制御をDNAアルキル化分

ジング・分析とナノデバイスの開発を行っ

子や転写活性化分子を結合して分子の開ています。長期的な目標は、エピジェネ

発を行っています。これらの遺伝子発現制

ティックな制御因子の動的な解析と機能御系を構築することで、細胞の初期化や分解明と、iPS細胞の作成や目標細胞への分化につながる方法を開発しています。

S Jonchhe, S Pandey, T Emura,
K Hidaka, M A Hossain, P Shrestha,
H Sugiyama, M Endo, H Mao,
Decreased water activity innanoconﬁnement contributes to thefolding of G-quadruplex and i-motif
structures. Proc Natl Acad Sci USA
115, 9539-9544 (2018)
T Masubuchi, M Endo, R Iizuka,
A Iguchi, D H Yoon, T Sekiguchi,
H Qi, R Iinuma, Y Miyazono, S Shoji,
T Funatsu, H Sugiyama, Y Harada,
T Ueda, H Tadakuma, Construction of
integrated gene logic-chip. Nat
Nanotechnol 13, 933-940 (2018)
J Taniguchi, Y Feng, G Pandian,
F Hashiya, T Hidaka, K Hashiya,
S Park, T Bando, S Ito, H Sugiyama,
Biomimetic Artiﬁcial Epigenetic Codefor Targeted Acetylation of Histones.
J Am Chem Soc 140, 7108-7115(2018)

P Shrestha, S Jonchhe, T Emura,
K Hidaka, M Endo, H Sugiyama,
H Mao, Conﬁned Space Facilitates
G-quadruplex Formation. Nat.
Nanotechnol 12, 582-588 (2017)
T Hidaka, G Pandian, J Taniguchi,
T Nobeyama, K Hashiya, T Bando,
H Sugiyama, Creation of a Synthetic
Ligand for Mitochondrial DNA
Sequence Recognition andPromoter-Speciﬁc Transcription
Suppression. J Am Chem Soc 139,
8444-8447 (2017)30 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 23

鈴木 淳 グループ
医生化学、細胞膜生物学

教員／鈴木 淳（ 教授／ PI ） 圓岡 真宏（ 特定助教 ）

主要論文

研究概要
細胞を取り囲む細胞膜
（脂質）
は自分自身

す。我々はこの PS を細胞表面に露出させと外来とをさえぎる境界としてのみ存在する分子（スクランブラーゼ）を同定すること

るのではありません。細胞膜は、死細胞がを目的として研究を進め、機能的スクリー

食細胞に認識されたり細胞融合が起こった

ニングにより世界に先駆けて複数のスクラ

りする細胞間コミュニケーションの場、まンブラーゼを同定しました。またその過程

た血液凝固反応などが起こる化学反応の場

で、細胞膜タンパク質を解析するために必J Suzuki, E Imanishi, S Nagata, Theとして機能し、細胞膜を制御するタンパク

要な種々の解析手法を樹立してきました。

Xkr8 phospholipid scrambling質の異常は様々な病気を引き起こします。

今後は、これまで同定してきたタンパク質

我々はこれまで、細胞膜を構成するリン脂の機能を深く理解するだけでなく、細胞膜

質、またそれを制御する膜タンパク質に特で起こる現象に立脚したスクリーニングをに焦点を当て研究を進めてきました。リン

ベースとして細胞膜を制御する細胞膜タン脂質の中でもホスファチジルセリン（PS）

パク質の基礎研究を行います。それによっと呼ばれる脂質は通常は細胞膜の内側に存て生命現象を深く理解するとともに、細胞在していますが、生体内において様々な局膜タンパク質の関わる病気の発症の理解、面で細胞表面に露出し、細胞間コミュニ

しいては治療戦略の提案を目指します。

ケーションのシグナル分子として機能しま

S Gyobu S, K Ishihara, J Suzuki,
K Segawa, S Nagata, Characterization of
the scrambling domain of the TMEM16
family. Proc Natl Acad Sci USA 114,
6274-6279 (2017)

complex in apoptotic phosphatidylserine
exposure. Proc Natnl Acad Sci USA
113, 9509-9514 (2016)
J Suzuki, E Imanishi, S Nagata,
Exposure of phosphatidylserine by
Xk-related protein family members.
J Biol Chem 289, 30257-30267 (2014)
J Suzuki, D P Denning, E Imanishi,
H R Horvitz, S Nagata, Xk-related
protein 8 and CED-8 promote
phosphatidylserine exposure in
apoptotic cells. Science 341, 403-406(2013)J Suzuki, T Fujii, T Imao, K Ishihara,
H Kuba, S. Nagata, Calcium-dependent
phospholipid scramblase activity of
TMEM16 protein family members.
J Biol Chem 288, 13305-13316 (2013)

マクロファージによるアポトーシス細胞の貪食。貪食された
アポトーシス細胞は赤色の蛍光を発する。

スクランブラーゼの細胞膜への局在。スクランブラーゼに蛍光タンパク質 EGFP を融合させ細胞に発現させた。赤色は核を染色している。

スクランブラーゼによる “Eat-me signal” の細胞表面への露出。アポトーシス刺激を加えた後のホスファチジルセリンの細胞表面への露出をFlow cytometry により解析。

iCeMS Inspiring Creativity | 31

研究グループ 24

玉野井 冬 彦 グループ
癌の基礎生物学と治療

教員／玉野井 冬彦（ 特定教授／ PI ）

主要論文

研究概要
ナノ粒子は癌の治療に新しい変革をもションが変わるアゾベンゼンという物質

たらしています。このようなナノサイズのを用いて開発しました。さらに、酸化鉄を材料は癌の部位で血管の壁から染み出しコアにしたナノ粒子を使い、振動磁場に対癌に蓄積しますし、また粒子の表面を修飾応して抗癌剤を放出するナノ粒子も開発することにより、癌細胞に特異的に取り込しました。このようなナノ粒子の働きを私ませることができます。私たちが使ってい達は癌細胞、また動物実験系を用い、検討

るナノ粒子はメソポーラスシリカナノ粒

しています。最後に、私たちが新しく始め子とよばれるもので、これは数千の孔をた研究としてもった蜂の巣状のナノ粒子で、この孔に抗Boron Neutron Capture Therapy

癌剤を埋め込むことができます。この孔の(BNCT) というものがあります。この原理

出口にナノバルブをつけると、開閉の機能

はBoron-10 に中性子を照射すると、リチを付与することができます。ナノバルブのウムとヘリウムに分解し、アルファ線が発開閉を様々な形でコントロールすること生し、癌細胞を殺すことです。そこで癌にができます。例えば酸性の条件下で開くバ

Boron-10 を蓄積できれば、BNCT の効果

ルブを開発しました。また、光に対応しては飛躍的に上がると期待されます。私達の抗癌剤を放出できるナノバルブやナノイ開発したナノ粒子がこの目的に使えるか

ンぺラーは光を照射するとコンフォメー

検討を始めたところです。

V Binh, S Shahin, J Croissant,Y Fatieiev, K Matsumoto, T Le-Hoang
Doan, T Yik, S Simargi, A Conteras,
L Ratliﬀ, C Mauriello Jimenez,
L Raehm, N Khashab, J-O Durand,
C Glackin, F Tamanoi, Chickchorioallantoic membrane assay as anin vivo model to study the eﬀect ofnanoparticle-based anticancer drugs inovarian cancer. Scientific Reports 8,8524 (2018)

J Finlay, C M Roberts, J Dong,J I Zink, F Tamanoi, C A Glackin.
Mesoporous silica nanoparticle
delivery of chemically modiﬁed siRNAagainst TWIST1 leads to reduced
tumor burden. Nanomedicine 11,1657 (2015)

H Mekaru, J Lu, F Tamanoi,
Development of mesoporous
silica-based nanoparticles with
controlled release capability for cancer
therapy. Adv Drug Deliv Rev 95, 40(2015)R E Yanes, D Tarn, A A Hwang,
D P Ferris, S P Sherman, C R Thomas,
J Lu, A D Pyle, J I Zink, F Tamanoi,
Involvement of lysosomal exocytosis in
the excretion of mesoporous silica
nanoparticles and enhancement of the
drug delivery eﬀect by exocytosis
inhibition. Small 9, 697 (2013)
J Lu, M Liong, Z Li, J Zink,
F Tamanoi, Biocompatibility,
biodistribution, and drug-delivery

メソポーラスシリカナノ粒子とナノバルブ

eﬃciency of mesoporous silica
nanoparticles for cancer therapy inanimals. Small 16, 1794 (2010)

外部刺激に反応するナノ粒子

メソポーラスシリカナノ粒子を媒介とした抗がん剤の体内輸送により、癌の成長が抑制される

32 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 25

田中 耕 一 郎 グループ
光物性・テラヘルツ科学

教員／田中 耕一郎（ 連携PI ）研究概要
テラヘルツ光は0.1から10THz(1THz=1012Hz)の周波数帯の電磁波*であり、光科学技術の最前線の一つであるといわれています。テラヘルツ光を用いることで、固体や液体の電子状態や振動状態の解析や複雑な材料の組成解析をおこなうことができます。特

ヘルツ光を用いて以下のような新しい学際研究を展開しています。
1．テラヘルツ顕微鏡の生命科学への応用私たちは近接場領域のテラヘルツ光を可視域の光に変換に、生体関連材料のセンシングや生物細胞のイメーする非線形光学技術の開発をおこなっています。

ジングはテラヘルツ光の応用の中で最も期待されてこれにより、回折限界（200マイクロメーター）を遥いる分野です。生物科学への応用を考える上で重要かに超える空間分解能を有するテラヘルツ顕微鏡

なテラヘルツ光の特徴は以下の3点です。

が可能となります。現在の目標空間分解能は5マイ• 指紋情報−多くの生体関連分子の振動・回転準位

クロメーターです。高出力テラヘルツ光のおかげでリアルタイムの観測が可能になっています。現在、はTHｚ帯にあることから、それらの識別にもちいる

農学部のグループと共同で細胞や関連した生体ことができます。

関連材料のイメージングの研究が進行中です。

• 水に敏感−水によく吸収されます。水の温度や物質の溶解に対して敏感に応答が変化することから、水の動的な応答や水和状態に関する知見が得られます。

• 安全性−光量子のエネルギーは4meVと可視光

2．高出力テラヘルツ光による物質材料制御へのチャ
レンジテラヘルツ光は様々な機能性材料の機能を制御できる可能性を秘めています。たとえば、半導体におけるテラヘルツ光によるバンド構造制御や主要論文
T Arikawa, K Hyodo, Y Kadoya,
K Tanaka, Light-induced electron
localization in a quantum Hall system.
Nature Phys doi:10.1038/nphys 4078
(2017)の500分の1であることから、生体分子を破壊する

励起子制御は将来の高速情報通信への応用が期ことなく検出可能です。このように期待されている

待されています。また。蛍光マーカーとして期待さテラヘルツ光ですが、周辺の周波数帯エレクトロニ

れている半導体量子ドットはブリンキング効果やクスにもちいるマイクロ波やオプトロニクスの主役

光ダークニング効果などの発光を抑制する過程がである可視光−に比べると技術開発は遅れていま存在することが知られています。これを克服するたす。この最たる原因は、光源技術や検出技術がマイめに、発光しない準位から発光する準位にテラヘ

クロ波や可視光に比べると非常に遅れていること

ルツ光で励起を行う手法が考えられます。このようにあります。より一層の基礎研究、新しい発想や先な新たな物質制御手法の開拓を進めています。

Phys Rev Lett 117, 277402 (2016)

3．細胞での生命活動の理解を目指した、メゾ空間で

T Tamaya, A Ishikawa, T Ogawa,

進技術開拓が必要とされています。
田中グループはこの数年間に渡って高出力のテラヘルツ光の発生と検出、生物科学への応用を精力的に進めてきました。私たちの高出力テラヘルツ光の発生方法は高出力のフェムト秒レーザー（パルスあたり1の水と物質との間の相互作用の研究テラヘルツ帯での高感度な分光検出・液体の精密な光学定数決定に適した全反射分光（ATR）システムの開拓およびその応用を進めています。これにより、メゾ空〜4mJ）を用いる手法であり、LiNbO3結晶を用いた間における水と物質との間の相互作用、特に水和チェレンコフ型の光整流過程またはレーザー誘起ガに関する知見が得られてきています。

スプラズマを用いた四光波混合過程を利用しています。現在の典型的な出力は、電場の大きさに換算して200kV/cmを超えるものであり、1KHzの繰り返しで

4．メゾ空間における超高速ダイナミクスの解明私た
ちは光化学反応を10フェムト秒（10-14秒）の時間

約5mWの平均出力が得られています。光子の数だけ分解能で精密に追跡することが可能な分光システ

で比較すれば250mWの可視光のレーザーに相当す

ムの開発を行いました。これによって、メゾ空間でるものです。現在、このテラヘルツ光源を用いて、固の光と物質との相互作用を明らかにしようとしてい体、液体、生体物質を対象とした究極的なテラヘルツます。北川グループとはメゾ空孔を有するタンパク

非線形分光技術を探求しています。すでに、半導体のバンド構造の動的変化や非摂動論的非線形光学応質における光誘起電子移動過程の研究を進めています。

答などの新たな発見に成功しています。今後、この技術を用いて波長の100分の1の分解能を有する実時*テラヘルツ波の振動数は、他の単位系では1THz

間動作顕微鏡や生体関連材料の高度検出などへの=1ps=300μm=33cm-1=4.1meV=47.6Kのよう応用が期待されます。iCeMSにおいては、高出力テラな対応になっています。

K Uchida, T Otobe, T Mochizuki,
C Kim, M Yoshita, H Akiyama,
L N Pfeiﬀer, K W West, K Tanaka,
H Hirori, Subcycle Optical Response
Caused by a Terahertz Dressed State
with Phase-Locked Wave Functions.

K Tanaka, Diabatic Mechanisms ofHigher-Order Harmonic Generation in
Solid-State Materials under
High-Intensity Electric Fields. Phys Rev
Lett 116, 016601 (2016)
Y Onishi, Z Ren, K Segawa, W Kaszub,
M Lorenc, Y Ando, K Tanaka, Ultrafast
carrier relaxation through Auger
recombination in the topologicalinsulator Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3. Phys
Rev B 91, 085306 (2015)
T Kampfrath, K Tanaka, K A Nelson,
Resonant and nonresonant control overmatter and light by intense terahertz
transients. Nat Photon 7, 680-690(2013)

iCeMS Inspiring Creativity | 33

研究グループ 26

田中 求 グループ
医学物理学、ソフトマター物理学
教員／田中 求（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
当部門は2018年4月に公益財団法人・中モデルを卒業し、より臨床医学にとって重

谷医工計測技術財団の支援を受け、京都大

要な問題に果敢に取り組む『医学と物理学

学高等研究院の寄附部門としてスタートの融合』による新たな学問分野を開拓するしました。PIである田中求教授は20年以ことにあります。そこで当拠点では、PI田上に渡り研究を続け、現在もドイツで最も中教授のグローバルなネットワークを活歴史あるハイデルベルク大学（1386年開

用 し、国・研 究 機 関・研 究 分 野 の 壁 を 越学）で正教授を務めています。日本におけえ、新たな未踏の分野に共に挑める若手研

る 田 中 求 研 究 室 は2013年 にiCeMSで ス

究者を育成します。また産業界とのオープタートした事もあり、iCeMSとは密接なンな連携を通じて、我々の研究成果の社会パートナーシップを維持しています。我々

実装を目指します。

の目標は過剰に単純化された「きれいな」C Monzel, AS Becker, R Saﬀrich,
P Wuchter, V Eckstein, A D Ho,
M Tanaka, Dynamic cellular
phenotyping deﬁnes speciﬁc
mobilization mechanisms of humanhematopoietic stem and progenitor
cells induced by SDF1α versus
synthetic agents. Sci Rep 8, 1841
(2018)

T Ohta, C Monzel, AS Becker, AD Ho,and M Tanaka, Simple physical model
unravels inﬂuences of chemokine on
shape deformation and migration ofhuman hematopoietic stem cells. Sci
Rep 8,10630 (2018)
H Rieger, H Y Yoshikawa, K Quadt,
M A Nielsen, C P Sanchez, A Salanti,
M Tanaka, M Lanzer, Cytoadhesion of
P. falciparum-infected erythrocytes tochondroitin-4-sulfate is cooperativeand shear-enhanced. Blood 125, 383(2015)E Schneck, T Schubert, O V
Konovalov, B E Quinn, T Gutsmann,
K Brandenburg, R G Oliveira, DA Pink,
M Tanaka, Quantitative determinationof ion distributions in bacterial
lipopolysaccharide membranes by
grazing-incidence X-ray ﬂuorescence.
Proc Natl Acad Sci USA 107, 9147
(2010)

M Tanaka, E Sackmann,
当寄附部門の研究コンセプト

Polymer-supported membranes as themodel of cell surfaces. Nature 437,656 (2005)34 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 27

植田 和 光 グループ
細胞生化学
教員／植田 和光（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
ヒトは、アミノ酸、糖、脂質などの物質

解能で解明することに成功しました。

でできています。それらの物質を体内に取ABC蛋白質による物質識別機構、輸送

り込み循環するには、それらを膜を介して機構を明らかにしようとしています。

輸送するトランスポーターが必要です。
ABC蛋白質は、おもに脂溶性物質を輸送す

3．ABC蛋白質に属するABCA1とABCG1るトランスポーターファミリーであり、環は、動脈硬化抑制作用をもつ血液中の境中の有害物質に対する防御や体内のコレメゾ粒子「高密度リポ蛋白質」（通称は善

ステロール恒常性などに重要な役割を果た

玉コレステロール）の形成の鍵を握ってしています。ヒトの48種類のABC蛋白質

います。さらにこれらABC蛋白質は、の異常は、動脈硬化、呼吸不全、脳神経疾

膜脂質を動かすことによって、細胞膜

患、皮膚疾患、加齢性失明、糖尿病、痛風な

上の特異なメゾドメインの再構築に関ど多くの疾病を引き起こします。ヒトABC

与し、炎症や免疫応答を調節していま

蛋白質の機能・制御の分子レベルでの解明

す。CeMI（メゾバイオ1分子イメジング

は、細胞と物質の相互作用の基盤を明らか

セ ン タ ー）の 楠 見 グ ル ー プ、Heuserグにするだけでなく、多くの疾病の予防と治ループとの共同研究によって細胞膜上療につながります。

でのABC蛋白質の働きを可視化することに、最近成功しました。善玉コレステ

植田グループは、iCeMSのさまざまなグ
ループと次のような学際融合研究を展開しロール形成機構を解明しようとしています。

H Hashimoto, Y Kimura, N Kioka andK Ueda, Temporary sequestration ofcholesterol and phosphatidylcholine
within extracellular domains of ABCA1
during nascent HDL generation. Sci
Rep 8, 6170 (2018)
S L Liu, R Sheng, J H Jung, L Wang,
E Stec, M J O'Connor, S Song, R K
Bikkavilli, R A Winn, D Lee, K Baek,
K Ueda, I Levitan, K P Kim, W Cho
Orthogonal lipid sensors identify
transbilayer asymmetry of plasma
membrane cholesterol. Nat Chem Biol13, 268-274 (2017)
A Kodan, T Yamaguchi, T Nakatsu,
K Sakiyama, C J Hipolito, A Fujioka,
R Hirokane, K Ikeguchi, B Watanabe,
J Hiratake, Y Kimura, H Suga, K Ueda,
H Kato, Structural Basis for Gating
Mechanisms of a Eukaryoticています。
4．見学グループと共同で、ABC蛋白質が
1．中辻グループ、山中グループ、上杉グ

神経細胞の特殊なメゾドメイン形成に

ループと共同で、多能性幹細胞株（ES ／関与していることを明らかにしようと

iPS細胞株）におけるABC蛋白質の生理しています。

P-glycoprotein Homolog. Proc Natl
Acad Sci U S A 111, 4049-4054 (2014)
N Hirata, N M Nakagawa,Y Fujibayashi, K Yamauchi, A Murata,

的役割を解明するとともに、未分化のES

I Minami, M Tomioka, T Kondo,／ iPS細胞を特異的に見出す効果的な蛍5．細胞を取り囲む微小環境は、分化や増光プローブをABC蛋白質の特性を生か殖などの細胞の運命に大きく影響しま

して開発するなど、再生医療において役す。細胞が細胞外マトリクスとの相互立つ重要なツールを開発しています。

作用を介して細胞外微小環境を感知し、細胞の運命を決定するメカニズム

2．X線結晶構造解析によってABC蛋白質

M Ishigami, F Ogasawara, K Nagao,を解明しようとしています。

の機能的三次元構造を、世界で最高の分

T-F Kuo, H Endo, H Inoue, H S-i Sato,S Ando, Y Kawazoe, K Aiba,
K O Nagata, E Kawase, Y-T Chang,
H Suemori, K Eto, H Nakauchi,
S Yamanaka, N Nakatsuji, K Ueda,
K M Uesugi, A Chemical Probe
Selective for Human Pluripotent StemCells. Cell Reports 6, 1165-1174 (2014)
K O Nagata, C Nakada, R S Kasai,
A Kusumi, K Ueda, ABCA1
dimer-monomer interconversion

Plasmamembrane

Plasmamembraneduring HDL generation revealed bysingle-molecule imaging. Proc Natl
Acad Sci U S A 110, 5034-5039(2013)

１．ヒトES/iPS細胞を光らせる蛍光化合物

２．MDR1による多剤認識メカニズム

iCeMS Inspiring Creativity | 35

研究グループ 28

上杉 志 成 グループ
ケミカルバイオロジー
教員／上杉 志成（ 連携PI ）

主要論文

研究概要
ケミカルバイオロジーとは、化学を起点した生物学です。生命の営みは、せんじつ

研究プロジェクトの例をいくつか下に挙げます。

めれば化学反応でできています。逆に化学を使って生命現象を理解したり、操ること• 基礎細胞生物学に有用な化合物ツール

ができるはず。上杉グループでは、細胞の細胞の仕組みは複雑ですが、生命現象を基本的な性質を変えてしまう有機化合物を特異的に操作したり検出する化学プロー

見つける、もしくはデザインし、それらをブを開発することで、新たな切り口で細道具として生命現象を探究・操作していま胞を研究できます。主に遺伝子発現、細す。このような合成有機化合物は、細胞生胞相互作用、エネルギー制御を操作また

物学や細胞治療の道具となります。私たちは検出する研究を行っています。

の研究目標は生理活性小分子化合物の新しい世界を切り拓くことです。新しい利用• 細胞治療に有用な化合物ツール法、新しいカタチ、新しいサイズ――こう細胞治療のひとつの問題点は高コストでいった考え方によって、未来の創薬や細胞しょう。細胞治療のための化合物ツール

治療への化合物の利用など、化合物の新しには低コストの大量生産という利点があい世界が見えてきます。

ります。ゆえに、細胞治療に化合物を利用すれば、世界中で細胞治療がより安価
により身近なものとなります。さらに重L Asano, M Watanabe, Y Ryoden,
K Usuda, T Yamaguchi, B Khambu,
M Takashima, S Sato, J Sakai,
K Nagasawa, M. Uesugi, Vitamin D
metabolite, 25-Hydroxyvitamin D,
regulates lipid metabolism by inducing
degradation of SREBP/SCAP. Cell Chem
Biol 24, 207-217(2017)
D Mao, S Ando, S Sato, Y Qin, N Hirata,
Y Katsuda, E Kawase, T F Kuo,
I Minami, Y Shiba, K Ueda, N Nakatsuji,
M Uesugi, A synthetic hybrid molecule
for the selective removal of humanpluripotent stem cells from cell mixtures.
Angew Chem Int Ed 56,
1765-1770(2017)

Y Katsuda, S Sato, L Asano,
Y Morimura, T Furuta, H Sugiyama,
M Hagihara, M Uesugi, A small

要なのは、安定で性質が明確な合成化合

molecule that represses translation of

物は、不安定で不確定な細胞治療を補う

G-quadruplex-containing mRNA. J Am

でしょう。

Chem Soc 138, 9037-9040(2016)
J Takaya, K Mio, T Shiraishi,
T Kurokawa, S Otsuka, Y Mori,
M Uesugi, A potent and site-selective
agonist of TRPA1. J Am Chem Soc 137,
15859-15864 (2015)

S Sato, M Watanabe, Y Katsuda,
A Murata, D O Wang, M Uesugi,
Live-cell imaging of endogenous mRNAs
with a small molecule. Angew Chem Int
Ed 54, 1855-1858 (2015)36 | iCeMS Inspiring Creativity

研究グループ 29

Dan Ohtan Wang グループ
神経科学、RNA 生物学
Dan Ohtan Wang（ 特定拠点准教授／ PI ）

主要論文

研究概要
私たちが学習しているとき、脳の中では来不可能であった組織レベルでのRNAラ神経ネットワークの構造が変化していま

イブイメージングを可能にする新規技術

す。学習に必要な神経細胞内の化学反応がECHO-liveFISH法を開発し、生きたまま様々なシグナル経路でおきますが、どのよのマウス脳組織でのRNA分子の可視化にうな仕組みで行われ、どのようなロジック

世 界 初 成 功 し ま し た（Oomoto et al.,で学習につながるかは分子神経科学におけ2015）。ECHO-liveFISH法を用いることにる大きな謎です。この謎を解き明かすため

よって、神経細胞に無毒の小さなオリゴプに、私達のグループは、RNA という遺伝情ローブを生きた脳内に侵入させ、学習課題報をデコードする分子に注目して、学習機に取り組むマウスに知られずに、神経細胞構の基盤となる神経回路の中での遺伝子発内で起きる遺伝子発現変化をリアルタイム

現の時空間制御を明らかにしようとしていで中継してくれることを期待しています。

ます。

D Merkurjev, W T Hong, K Iida,
I Oomoto, B J Goldie, H Yamaguti,
T Ohara, S Kawaguchi, T Hirano,
K C Martin, M Pellegrini, D O Wang,
Synaptic N6-methyladenosine (m6A)
epitranscriptome reveals functional
partitioning of localized transcripts.
Nature Neuroscience 21, 1004-1014(2018)I Oomoto, A Hirano-Suzuki,
H Umeshima, Y W Han, H Yanagisawa,
P Carlton, Y Harada, M Kengaku,
A Okamoto, T Shimogori, D O Wang,

私たちの研究には顕微鏡技術や化学プ
私たちのグループでは、個体の脳を生きローブ技術の向上が欠かせないうえに、学たまま観察するシステムを作製し、学習中

習や記憶などを専門とする多くの研究者との神経活動依存的な遺伝子発現変化をライ

ともに分野横断的な議論を重ねていくこと

ブで中継する試みに取り組んでいます。従が必須です。

ECHO-liveFISH: in vivo RNA Labeling
Reveals Dynamic Regulation of Nuclera
RNA Foci in Living Tissues. Nucl Acids
Res 43 (19), e126 (2015)
E Meer, D O Wang, S M Kim, I Barr,F Guo, K C Martin, Identiﬁcation of acis-element that localizes mRNA tosynapses. Proc Natl Acad Sci 109 (12),4639-44 (2012)

D O Wang, H Matsuno, S Ikeda,
A Nakamura, H Yanagisawa,
Y Hayashi, A Okamoto, A quick andsimple FISH protocol withhybridization-sensitive ﬂuorescent linear
oligodeoxynucleotide probes.
RNA 18, 166-175 (2012)
D O Wang, S M Kim, Y Zhao, H Hwang,
S K Miura, W S Sossin, K C Martin,
Synapse-and stimulus-speciﬁc local
translation during long-term neuronalplasticity. Science 324, 1536-1540(2009)

私たちは様々な出来事を経験して成長します。
記憶は遺伝子発現の影響下で経験と脳内環境の相互作用によって作られます。

最近の研究成果「シナプスにおけるRNAメチル化」
Nature Neuroscience（2018）

iCeMS Inspiring Creativity | 37

研究支援部門
橋田 充（ 特定教授／部門長 ）国内外の大学・研究機関との頭脳循環を推進するとともに、国際研究ネットワークの強化を図りながら、iCeMS内で生まれた研究成果を社会へ還元することを目指して、研究支援部門は設立されました。2017年4月に発足した解析センターに加え、イノベーションユニットは2017年12月に、パブリックエンゲージメントユニットは2018年4月に活動をスタートしています。iCeMSは、2007年から10年間、WPI拠点として文部科学省から支援を受け、その後、2017年度からは、WPIアカデミーの一員となりました。WPIアカデミーにおいて、iCeMS研究支援部門は、先鋭的な取組にチャレンジし、大学への横展
開、他拠点との協力を進めることで、世界トップレベルの研究環境構築を目指していきます。

イノベーションユニット
瀧川 洋之（ 特定准教授／ユニット長 ）藤井 永治（ 特定講師 ）iCeMSにおける研究基盤を強化するため、資金獲得（外部資金、寄附金など）
や
人材交流（学術交流、産学連携活動、技術移転など）を活性化するべく様々な企画・取組・支援を進めています。
● iCeMS基金事業

スイスAO研究所との学術交流協定の締結

基金獲得に向けた企画立案
ファンドレイジング事業● 外部資金獲得事業
知財獲得戦略企画立案● 外部機関連携
学術交流協定産学連携
現地運営型ラボ「スマート材料研究センター」の開設

パブリックエンゲージメントユニット
遠山 真理（ 特定准教授／ユニット長 ）高宮 泉水（ 特定助教 ）本間 貴之（ 特定助教 ）iCeMSで得られた研究成果を多くの方と共有し、さらには国際的な頭脳循環につながるよう、
アウトリーチ活動や国内外への広報に力を入れています。
● 広報業務iCeMSニュースレター

広報戦略企画立案
広報誌/WEBサイト/映像/グッズ等の企画・コンテンツ作成● アウトリーチ活動
イベント等の企画立案● 研究成果発信
プレス発表等● 研究者交流の企画
研究者国際化プログラム
国際研究集会の企画
38 | iCeMS Inspiring Creativity

日本とシンガポールの高校生対象に開催したサイエンスフェスティバル

iC eM S 解 析 センター
見学 美根子（ 教授／センター長 ）本間 貴之（ 特定助教 ）iCeMS はこれまで物質と細胞のインターフェースの現象を捉え、機構を解明し、人工的に操作する技術の開発に注力してきました。iCeMS が保有する先端技術と実験装置を多くの研究者が利用できる環境を整え、物質細胞科学研究を発展・深化させることを目指し、設立10年の節目を迎えた際に本センターを設立しました。原子・分子の特性解析装置を揃えたマテリアルズ解析部門と、生体分子・細胞の観察・解析装置を揃えたバイオ解析部門から成ります。今後ワークショップやハンズオン・トレーニング等を開催し、研究者の卵から新規分野に参入する専門家まで、世界中からの参加を受け入れた教育と訓練にも力をいれます。

■バイオ解析部門
藤原 敬宏（ 特定准教授／部門長 ）【顕微鏡】 37℃、炭酸ガス存在下で生細胞の長時間観■マテリアルズ解析部門
樋口 雅一（ 特定助教／部門長 ）【 分 析 】 ナノスケールでの形 態や状 態の分 析（ TEM 、察が可能な、６台の共焦点顕微鏡が稼働しています。
うち１SEM）、物質中の金属原子の電子状態や局所構造解析

台に多光子励起ユニット、３台に超解像ユニット（STED、（XAS）、原子レベルでの有機分子の構造解析（NMR）、物

新型検出器ベース、周波数領域演算ベース）を搭載してお質中の微量元素の精密定量測定（ICP）等、物理的性質のり、細胞の微細構造から多細胞にわたる動的挙動の観察と解明に必要な測定と解析を支援します。

解析を支援します。
【評価】 反応系に含まれる物質の定量（GC-MS）、有機分【分子・細胞解析】 細胞を流体に分散させて光学的に分子の部分的構造解析（FT-IR）、多孔性材料の吸着測定析したり、選択的に回収したりできる、
フローサイトメーター（BET 比表面積や細孔径分布解析等）、化学的な反応特性

やセルソーター、DNA の塩基配列を決定することができるの解明に必要な測定と解析を支援します。

DNA シーケンサーが稼働しています。
セルソーターは4 本のレーザーを搭載し、プレートを用いた単細胞ソーティング【作製】 電子顕微鏡や ICP のサンプル作製、
またドラフトも可能な仕様となっており、同時に細胞のより多くの性質をを使用した有害物質の取り扱いも可能です。
セルソーターは解析、分取することが必要な研究を支援します。

4本のレーザーを搭載し、プレートを用いた単細胞ソーティ
ングも可能な仕様となっており、同時に細胞のより多くの性質を解析、分取することが必要な研究を支援します。

iCeMS Inspiring Creativity | 39

アクセス
高等研究院 iCeMS 本館
高等研究院 iCeMS 西館
京都市左京区吉田牛ノ宮町（京都市バス「京大正門前」バス停から徒歩1分）
高等研究院 iCeMS 研究棟
総合研究1号館／プロジェクトラボ
総合研究1号館 別館
京都市左京区吉田本町（京都市バス「百万遍」バス停から徒歩1分）

広域図

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詳細図高等研究院 iCeMS 研究棟
総合研究１号館／プロジェクトラボ
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百万遍
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高等研究院 iCeMS 本館
高等研究院 iCeMS 西館
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薬学部構内
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神宮丸太町駅

近衛通

近衛通

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丸太町通

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電話075-753-9753
Fax
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2018年12月発行

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