本記事は , 文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」技術スタッフ表彰について紹介するものです .

文部科学省 マテリアル先端リサーチインフラ 令和 5 年度技術スタッフ表彰 技術支援貢献賞

クライオ透過電子顕微鏡を主とした技術支援受賞者 東京大学マテリアル先端リサーチインフラ 微細構造解析部門 木村 鮎美氏に聞く
近年，マテリアル研究開発では，デジタルを駆使したデータ駆動型の研究開発が世界的に進展し，高品質なマテリアルデータを戦略的に収集・蓄積・流通・利活用できる仕組みの構築が重要となっている [1]．
文部科学省が 2021 年度より開始したマテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）[2] は，2012 年 度 か ら 2021
年度までのナノテクノロジープラット
フォーム事業（NPJ）で培ってきた最先端装置の共用，高度専門技術者による技術支援の提供に加えて，装置利用に伴い創出されるマテリアルデータを大規模に収集・整理して，利活用しや
すいよう構造化した上で研究者に提供するという新たな試みを進めている．
ARIM は，7 つの重要技術領域を設定し，領域ごとに強みを持つ最先端装置群を透過電子顕微鏡（TEM）をバックにした木村 鮎美氏

提供するハブ機関と，特徴的な装置・技術を持つスポーク機関からなるハブ＆スポーク体制を構築している [3]．その重要技術領域は，1．高度なデバイ
ス機能の発現を可能とするマテリアル，2．革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル，3．量子・電子制
御により革新的な機能を発現するマテリアル，4．マテリアルの高度循環のための技術，5．次世代バイオマテリ
アル，6．次世代ナノスケールマテリアル，7．マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアルである．最先
端共用設備の有効活用には，高度な専門技術を有する技術スタッフの支援が不可欠である．NPJ は 2014 年度より
技術スタッフの貢献に報い，その育成を図ろうと技術スタッフ表彰を始めた．この表彰は ARIM にも引き継がれ，2024 年 1 月 31 日 東京ビッグサイトで開催された第 23 回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議（nano tech2024）において，５件の令和 5 年度「技術スタッフ表彰」の発表と表彰が行われ，『クライオ透過電子顕微鏡を主とした技術支援』に対して，技術支援貢献賞が東京大学大学院工学研究科総合研究機構の木村 鮎美氏に贈られた[4]．今回 Web 取材により，どの様な支援を実施されたのか，またそのご苦労，成果について木村氏に伺った．

りナノテクノロジー・ネットワーク，2012 年よりナノテ

１．東京大学における ARIM 事業の概要とその活用状況
１．１
概要

東京大学マテリアル先端リサーチインフラの大学・企業の多くの研究者に最先端の研究機器の利用機会を提供してきた．
2021 年度からは文部科学省「マテリアル先端リサーチ
インフラ」事業に採択された．東京大学の微細構造解析，
微細加工，情報基盤の 3 つの拠点をハブ機関として，微東京大学は，文部科学省の設備共用事業（2007 年よARIM Japan Magazine 2024

クノロジープラットフォーム事業）に参加し，学内外の細加工の広島大学，構造解析の日本原子力研究開発機構

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-1

図1

東京大学 ARIM ハブ＆スポークチームの構成

をスポーク機関として加えた 3 機関 5 拠点体制（図１）で構成され，重要技術領域「革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル」の研究開発・支援への貢献を目的としている [5]．

本データシステムを利用することで次のことが可能になる．
①クラウドストレージによるプライベートな大規模データの保存高効率・高機能なエネルギー材料の開発は，環境問題②共同研究者間でのデータ共有や一般公開の柔軟な管理や希少資源問題の克服，カーボンニュートラルの実現等③実験設備からの効率的かつセキュアな直接データ転送に直結している．次節で紹介する情報基盤の mdx（デー④インタラクティブなプログラミング環境や Remote

タ活用型社会創成プラットフォーム）を融合することにより，高度解析・加工技術の共用，データの収集，蓄積，構造化，利活用等を行う環境を構築し，太陽電池，熱電素子等の革新的なエネルギー変換を可能とするマテリア
ルのデータ駆動型研究開発を目指す．

Desktop によるデータ解析やソフトウェア開発⑤データ提供・登録による，全国 25 機関実施の広域デー
タシェアサービス（NIMS RDE）への参加協力
RDE とは物質・材料に関する研究データをオンライン
で迅速に登録するために，研究データを自動的にデータ駆動型のマテリアル研究に適した形に構造化してクラウ

１．
２

ARIM-mdx データシステム

ドに蓄積するシステムである [7]．
共用の設備には東京大学で開発した IoT デバイスが設東京大学 ARIM の新しい狙いの一つにデータの収集，

置され，その実験データが直接 mdx クラウドに転送され蓄 積， 構 造 化， 利 活 用 が あ る． 情 報 基 盤 部 門 の ARIM-

る [8][9][10]．データ提供希望者のデータは自動的に RDE

mdx データシステムはデータ収集・管理・解析のためのに登録され，一定の期間をおいて，広域シェア，一般利

情報システムであり，図２にその概要を示す [6]．

用に供されることになる．

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文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-2

図2

１．3

ARIM-mdx データシステムの概要

微細構造解析部門の共用装置とその実績

また ARIM では，成果を出した利用者ならびに支援した実施機関を「秀でた利用成果」として毎年数件選定し，利用者の装置共用に関するサポート形態には，①利用表彰している．東京大学 ARIM 微細構造解析部門は R3 年

相談，②機器利用，③技術補助，④共同研究，⑤技術代行，度，R4 年度，R5 年度それぞれ，優秀賞 1 件，最優秀賞 1 件，

⑥データ利用がある．

優秀賞 2 件の受賞という実績を挙げている．

微細構造解析部門の共用装置を表１に示す．透過電子顕微鏡（TEM/STEM）の 12 台を筆頭に，総計 34 台の装置が利用可能である [11]．TEM スタッフが担当する装置の台数を赤字で示す．
図 3 に微細構造解析部門における，R4 ～ R5 の利用課
題数と設備の稼働日数，図 4 に R5 年度の利用者内訳を示す．利用課題数は 300 課題以上あり，かなり高い頻度で利用されている．利用者は東京大学内が 60%，他研究機
関が 14%，企業が 26% である．

表１

微細構造解析部門の共用装置

図3

R4 ～ R5 の利用課題数と設備の稼働日数

図4

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R5 年度利用者内訳

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-3

ている．

２．木村氏の東京大学 ARIM における担当
業務
２．
１

利用相談では，利用者の試料の問い合わせ内容によって，利用者に適切な TEM 試料作製法，TEM 装置の提案，
技術的なアドバイスを行っている．装置利用に関しては技術代行をする場合もあるが，殆どの場合，最初は技術担当装置，支援内容と支援実績補助を行い，利用者自身が操作できる状態になると機器

木村氏は，東京大学大学院工学系研究科附属総合研究

利用に移行する．スタッフは複数の装置を担当している機構の電子顕微鏡室に所属し，東京大学 ARIM 微細構造ため，自身で利用できる利用者を増やすことにより，別解析部門において透過電子顕微鏡（TEM）関連装置の支の装置の技術補助が可能となるため，効率よく多くの利援業務をおこなっている．TEM 担当者 4 ～ 5 人で 14 台

用者に対応することが可能となっている．ただし，クラの電子顕微鏡装置を担当しており，木村氏の現在の主イオ TEM に関しては，急速凍結による試料作製が難しい

担当装置は図 5 に示すクライオ透過電子顕微鏡：JEM-

ため 100% 技術補助で行っており，観察は利用者自身が2100F（Cryo-TEM）, 環境対応型超高分解能走査透過電できるよう指導している．

子顕微鏡：JEM-ARM200F（Cold FE Dual SDD）, 集束イ

支援実績としては，主担当装置が毎年変化する中で，オン / 電子ビーム複合ビーム加工観察装置（FIB-SEM）：

年間 200 件以上の支援を行っている．現在の主担当 3 装JIB-PS500i の 3 装置である．担当する分野は高分子・バ

置における R5 年度実績は 210 件である．その中で，クイオマテリアルから無機材料まで幅広い．

ライオ TEM の R5 年度の実績は 42 件あり，データ提供

支援活動の内容としては，装置の維持管理から，利用相談，予約対応，操作指導・補助，観察・分析，解析ま

者割合が 88% と非常に高い．また学外利用者は 60% と，この装置の外部におけるニーズの高さを示している．

で電子顕微鏡微細構造解析に関する業務のすべてを行っ

図5

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木村氏の現在の担当装置

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-4

２．２ 透 過 電 子 顕 微 鏡（Transmission Electron
Microscope：TEM ）の原理
TEM は光学顕微鏡と同様に試料の拡大投影像を得るための装置である．図 6 に光学顕微鏡と TEM の構造を示す．
その原理は試料に電子線を照射し，透過電子，および散乱電子の干渉像を拡大して高倍率で観察する手法である．
ただし，TEM は光学顕微鏡と異なり，電子が気体分子で散乱されないように鏡筒が真空状態に保たれている．
光学顕微鏡の光の波長に比べて，電子線の波長は短く，その拡大倍率範囲は数 10µ ⅿからサブ nⅿの原子分解能
条件までをカバーできるほどに広い．また，結像レンズ
系のレンズ強度を調整することで TEM 像観察モードから電子線回折観察モードへと簡単に切り替えることができ，観察視野に対応した微小領域の構造解析を瞬時に行うこともできる．
図 7 に入射電子が試料との相互作用で発生する各種電子等を示す．散乱した電子を目的別に選択して結像，検図6

光学顕微鏡，電子顕微鏡の構造

図7

入射電子と試料との相互作用出して分析することにより，試料の局所領域において，
形態，原子構造，組成，電子状態等の情報を得ることが出来る．こうした同一の観察領域から，様々な情報を取得できることが TEM の大きな特長であり，生物，高分子，
セラミックス，半導体，金属等多くの分野における基礎研究をはじめ，新製品の開発やその評価等に幅広く利用されている．

２．
３

TEM の使用条件・使用上の課題

TEM 観察を可能とするためには，以下の使用条件並びに使用上の課題がある．
①試料は電子線が透過する厚みでなければならない．
② TEM の鏡筒は高真空であるため，溶液試料の測定には特別なホルダー等が必要である．また，分散試料の前処理により凝集や乾燥による変形が起こる可能性がしたまま試料の観察を行う手法である．この方法は，①ある．

液中の試料構造が観察でき，生きた状態に近い構造を捉③高エネルギー電子線照射による試料ダメージが起きえることを可能にする，②試料はとり囲む氷によって冷る可能性がある．特に C，N，O，H 等の軽元素を含却されるので電子線照射で発生する熱によって試料が壊む有機材料や生物試料で顕著である．

れるのを低減できる，というメリットを有する．

２．
４

２．５ クライオ TEM のワークフロー（凍結試料作製，観察手順）

クライオ TEM とは

液中・含液素材や柔らかい素材は，電子顕微鏡で観察しようとしても，乾燥・真空環境や電子線照射で試料がウイルスや生体タンパク質等の粒子状試料の氷包埋試損傷するため，そのままの形態で観察することが困難で料は，①厚さが電子線を透過できる程度（数十～数百ある．そこで生物系の電子顕微鏡観察では，観察試料をnm），②氷は非晶質にする必要がある．この二点を実現含む溶液を急速凍結して氷に包埋し，冷却観察を行うクするために，自動浸漬凍結装置（Leica 社製 EM GP）を使

ライオ TEM が発展してきた．

用し氷包埋試料を作製する．その凍結試料作製及び観察

クライオ TEM 法は精製したタンパク質やウイルス，細手順は以下の通りである（図 8）．

胞といった試料を生体内の構造を染色することなく，溶①予備観察により濃度等を調整した試料を準備する．

液のまま急速凍結することで，溶液中の分子形態を保持②試料の分散，試料のグリッドへの接着性を改善するた

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図8

氷包埋法による凍結試料作製プロセスと観察手順

め，微少な孔をもつ支持膜を貼ったグリッドを親水化処

ネガティブ染色法はグリッドのカーボン支持膜にサン理する．③グリッド上に試料溶液を滴下し，余分な試料プルを乗せ，染色剤を使うことで，試料の周辺，間隙に液をとる．④ Leica EM GP を用いて試料液薄膜のついた染色剤が入り込み，染色部は電子密度が高くなり，電子グリッドを，浸漬法で液体エタン中にて急速凍結し，非線が透過しにくくなる．その結果，試料は電子線密度が晶質の氷を作る．⑤氷包埋試料は，液体窒素で冷却し低い為，電子線陰影像を得て，コントラストが高くなる

たクライオトランスファーホルダー（Gatan 社製モデル

メリットがあるが，デメリットとして，乾燥による変形914）にセットし，TEM に搬送する．⑥ TEM 観測ではや染色剤による構造破壊が起き易いことがあげられる．

電子線照射によるダメージを出来るだけ低減するために，

これに対して氷包埋法では，溶液中の試料の分子形態を視野探し，フォーカス合わせ，撮影までの一連の流れを保持したまま内部構造の観測が可能であることが分かる．

低電子線量で行う Minimum Dose System（MDS）を用い

氷包埋試料作製においては各条件（試料濃度・親水化
処理条件・試料滴下量・ろ紙で吸う時間等）を最適化すて撮影する．
クライオ TEM においては，試料に応じた濃度設定や試料作製条件等の設定，霜を付けないための素早い作業等，ることで，試料が分散し，かつ適切な厚みの非晶質氷をつくることができる．

経験と細かいノウハウが必要となる．また，初めての試サンプル移動や保管には液体窒素を使用しているが，料等では，クライオ TEM の前に，測定が簡単なネガティ

液体窒素は気化熱が小さく，サンプル表面ですぐに気化

ブ染色法を用いた予備観察をすることが多い．図 9 にしてしまうため，急速凍結には液体エタンを使用する．

同一試料を用いたネガティブ染色法及び氷包埋法によるエタンは，TEM 観察時に昇華しやすいという利点もある．

TEM 像の観察結果を比較して示す．

図9

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ネガティブ染色法および氷包埋法による TEM 像比較文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-6

２．
６

代表的な技術支援活動業務

観察以外に，以下に示す各種観測等も積極的に行っている．①冷却観察（電子線照射に弱い試料をクラ木村氏の技術支援の件数は，年間 200 件を超えており，

イオホルダを利用して冷却しながら観察），②液中大きな技術支援上の課題とその解決法について以下に示

観察（市販のキットを使用し，液体のまま TEM 観

す．

察），③ TEM/STEM トモグラフィー観察（試料を連①スタッフ人数に対して，装置，利用者が多く対応しき

続的に傾斜させながら撮影），④通常観察（ネガティ

れない．

ブ染色，電子線回折，EDS（Energy Dispersive X-ray

・予約の効率化：予約状況の Web 化による利用状況のSpectroscopy：エネルギー分散型 X 線分光法）
・EELS

可視化，空いた日の当日利用も可能とする等，効率的（Electron Energy Loss Spectroscopy：電子エネルギーなマシンタイムの運用を実施している．
・利用日誌のオンライン化・操作リモート化等による業
務効率化の推進を行っている．

損失分光法）分析等）．
・スタッフの連携・一貫した支援：東京大学 ARIM にて対応できない場合は他機関の紹介も行う．しかしなが・サンプル情報，試料作製条件，設定条件，結果等々をら，同一機関で出来るだけ多くのことが出来る方が利

毎回細かく記録し，結果への影響を考察することで，用者にとって効率が良い場合は，スタッフ間の連携重

次の条件設定の参考にしている．また利用者のサンプ

視に加えて，新しい技術も取り入れ，どんな分野，どルが豊富であり，様々な試料の経験を積み重ねることんな装置でも出来るかぎり利用者の希望に添えるようが出来ている．こうしたたゆまぬ努力の結果，一度で努力している．

良い条件を設定できることが多くなってきている．

こうした支援活動業務の中では苦労も多いが，得られ・利用者に合わせた講習：利用頻度の低い利用者には難る成果も多い．例えば，利用者の分野は様々で，利用者しい作業の部分は代行し，失敗を避ける．頻度の高いに合わせた新しい分野の学習や，持ち込まれる測定が難

利用者は自身で使えた方が効率が良いため，装置習熟

しい試料へは，特殊な観測，解析で対応する必要がある．

度や希望に応じて，難しい作業は一部代行する．慣れ

さらには，新しい装置が導入される際の学習等，利用者るにしたがい，少しずつ習得させる方法をとり，利用

支援の時間が取り難い中でも，覚えたいこと，学ばなけ

者の技術習得率を上げている．

ればいけないことが多く，日々の苦労は多い．しかしな

・継続利用者に対しても，技術的な相談や疑問点，実験

がら，そのおかげで，自身の知識・経験が増え，他の利計画等の相談がしやすい関係を築き，頻繁にコミュニ

用者の支援にもつながり，多くの利用者から論文発表等

ケーションをとることで装置トラブルを減らしていの成果が出されていることで，報われると感じている．

る．
・マニュアル作成：これにより装置によっては，利用者が一度の技術補助で操作を習得することもある．
②クライオ TEM だけでなく，試料作製においては，難しい作業は失敗を伴い易く，観察に影響する．
・クライオ TEM の試料準備に関しては通常 1 時間以上かかるところを，木村氏が代行することで 30 分以内

３．クライオ TEM による研究支援事例
３．１ 生体内分子機械シャペロニン GroEL による
ナノ構造に短縮することができる．その結果，霜を減らすこと

東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻，相田ができ，よりきれいな画像が得られ，1 日で観察でき

卓三研究室では超分子化学とソフトマテリアルを研究分

るサンプル数も増えている．

野としており，その一つのテーマとして，沈皓らによる『生・支援者によって，作業の考え方，進め方が様々ある．

体内分子機械シャペロニン』の研究がある [12][13][14]．

操作の思考が固まらないように，研修やセミナーに参生体内分子機械とは生体内に存在するタンパク質で，分加して，多くの人のやり方を学ぶよう心がけている．

子モータとも呼ばれ，化学エネルギーを生体活動に必要

利用者によって，最適な操作法が異なる場合もあり，なナノスケールの精密動作に変換している分子のことで利用者に応じた方法を教えられるよう努力をしていある．代表的なシャペロニンには，GroEL があり，ATP（アる．

デノシン三リン酸）を使って多くのタンパク質のフォー③装置の性能に限りがある．利用者からの要望が様々である．

ルディングを助けている．
本研究の目的は，シャペロニン GroEL を前駆体とし，・利用者の研究課題解決のため，要望があれば，限られ両端が異なる化学修飾を施された Janus GroEL を合成す

た性能・機能でできる限りの成果が出せるよう環境整ることと，それをモチーフにした三元超分子共重合であ

備・操作指導を行い，熟練が必要な技術や観察の難しる．Janus GroEL の構造的完全性及びそれをモチーフにい試料にも挑戦している．

した三元超分子共重合体の構造を明らかにするためには，・JEM-2100F（クライオ TEM）の活用：クライオ TEM

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TEM による構造の可視化が必要不可欠であった．また，文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-7

図 10 a は AGroELB の TEM 像 b は共重合体の TEM 像
c は AGroELB と DNA コモノマー A ＊＊及び B ＊の混合物との三元超分子共重合の概略図とその TEM 像
d は AGroELA と DNA コモノマー A ＊との二元超分子共重合のクライオ TEM 像

染色・乾燥による影響の可能性があるため，クライオ

多孔質材料において，多孔質中に捕捉されたゲストをTEM で溶液中でも同じ構造であることを確認することも

何らかの刺激により放出することは，多孔質材料の重要重要であった．この共重合体試料はミクロン単位と TEMな機能の一つである．今回利用者らはゲートとしてのカの対象としては大きく，染色条件やクライオの氷包埋試

ルモジュリン（CaM）の付着を可能にする生体接着性多料作製の条件設定，観察が非常に難しかったが，利用者

孔質有機モジュールである GlueCOF を検討した． COF（共らの粘り強い実験と木村氏の経験・技術により成功に至っ

有結合性有機構造体）とは水素，ホウ素，炭素，窒素，た．図 10 にその結果を示す．図 10 の a，b，c はいずれ

酸素等の軽元素が共有結合で結びついた結晶性の有機材

も酢酸ウラニルで染色した Janus AGroELB と共重合体の料で，二次元または三次元の周期的な構造を持ち，高いTEM 像，d はクライオ TEM 像である．共重合体は期待さ

比表面積を示す．またカルモジュリン（Calmodulin）とれていた線形ポリマーではなく，モノマーが二次元的にはカルシウムによって調整されるタンパク質（CALcium

繋がった層状構造を有することが判明した．さらに，異MODULated proteIN）で，Ca2+ との選択的結合を介してなる長さの DNA コモノマーを導入することで，二重周期構造を変化させることが知られている [16]．利用者らは性をもつ三元超分子共重合体の合成を試み，TEM によりゲストを収容した GlueCOF にカルモジュリンを付着させた

期待通りのコモノマー配列の可視化に初めて成功した（図CaM

10 c）[13][15]．

発性の構造変化を起こし，ゲスト分子がナノ細孔から放COF ⊃ guest 内の CaM が Ca2+ に結合すると，Ca2+ 誘

出されるのではないかと考え，生体接着性多孔質有機モ
Glue

３．２ 生体接着性多孔質有機モジュール (構造観察COF) の

本件も「超分子化学」を基盤とする分子デザイン研究を掲げる東京大学 相田研究室のテーマで，Hyuna Jo らの研究である．

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ジュールを合成し，その構造確認として TEM 観察を行った．その多孔質足場には，イミンベースの共有結合性有機フレームワーク（COF）の基本構造が採用されている[17]．
図 11 にアジド（N3），グアニジニウムイオン（Gu+）をそれぞれ持つ，多孔質有機モジュール AzideCOF と GlueCOF

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図 11

アジド（N3）ペンダントとグアニジニウムイオン（Gu+）ペンダントをそれぞれ持つ多孔質有機モジュール AzideCOF と GlueCOF の分子構造．

られた GlueCOF ⊃ guest を多価塩架橋相互作用により CaMの分子構造を示す．
この GlueCOF は，グアニジウムイオンが含まれており，に 付 着 さ せ た（CaMCOF ⊃ guest)． Ca2+ と 結 合 す る と，

カルモジュリンのような生体分子と相互作用できる．ゲー

CaM

トとしてのカルモジュリン（CaM）を非共有結合で結合を変化させる．

COF ⊃ guest の CaM ゲートはゲスト放出のために構造させ，Ca2+ との選択的結合による CaM の構造変化により，共有結合性有機構造体（COF）は電子線照射に弱く，通ゲスト分子を放出することを確認した．その概略図を図

常の観察ではすぐに破壊され，測定が難しかったが，液12 に示す．

体窒素で冷却しながら観察することで熱によるダメージ

ゲストが装填されたナノ細孔は，ゲートとしてのカルモジュリン（CaM）によってブロックされる．まず，ゲを低減し，限られた性能，期間内に，TEM による構造の確認に成功した．その TEM 像を図 13 に示す．

スト分子である窒素を GlueCOF のナノ細孔にロードし，得図 12

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CaM

COF ⊃ guest からの Ca2+ 応答ゲスト放出の概略図．

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図 13

３．
３

Glue

COF の TEM 像

セルロースナノファイバーの微細構造解析

東京大学 , 未来ビジョン研究センターの古月 文志 特任

ブ染色による TEM 観察（b）を行い，TEMPO-CNF が湾
曲してねじれていることが観察され，接合された微細構造を確認した．

教授らは 2,2,6,6- テトラメチルピペリジン 1- オキシル

その結果，CNF 微細構造の新たな知見が得られた．図

（TEMPO）酸化セルロースナノファイバー（CNF）の構造

15 にその構造概念図を示す．ここで，セルロースミク

解析や，水素製造法の一つであるアルミニウム粉末と純ロフィブリルとはセルロース分子 20 ～ 40 本が規則的に水の反応を促進するための疑似触媒としての応用等の研束ねられた，結晶性を有するセルロース分子の束である．

究を進めている．

図 15（a）に示すように，CNF の多糖鎖は継ぎ目のない

森林資源由来のセルロースナノファイバーは，高性能

1 本の長いポリマーではなく，比較的短い（数 10nⅿ～数のバイタルセンサー，スーパーキャパシタ，吸着剤，軽100nm）セルロースのベーシックブロック同士が直列に量で丈夫な素材として注目されている．マイクロメート

繋がった構造をとっていることを確認した．そしてそのル長の TEMPO-CNF を飽和水蒸気圧中で 150℃，2 時間

構造を，より短いブロックが連続的に結合したフィンガー

加熱して得られた CNF の TEM 像の一例を図 14 に示す．

ジョイント構造であると結論付け，finger-jointing model

結晶性を有する CNF は電子線照射に弱いため，冷却によと名付けて発表している [18]．フィンガージョイントは，る TEM 観察（a）と，2.0％酢酸ウラニルを用いたネガティパックされた（垂直）構造に比べて弱いが，柔軟性がある．

図 14 TEMPO-CNF 飽和蒸気圧下 150℃，2hr 加熱後の TEM 像（a）染色なし，冷却下，（b）ネガティブ染色（2.0％酢酸ウラニル）

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図 15 セルロースミクロフィブリルのフィンガージョイント構造概念図．
（a）セルロースミクロフィブリル中の多糖鎖，（b）ミクロフィブリルが短いブロックに外された状態，（c）ブロックの最外層に位置する多糖鎖がより薄いブロックとして本体から分離する状態．

高温高圧の飽和水蒸気中等の過酷な条件下では，セルロー

応は，特に 50℃以下の低温ではその反応が極めて遅いこ

スミクロフィブリルはフィンガー接合部から外れて（b）とがボトルネックとなっていたが，0.1-0.5 重量 % というに示す短いブロックになる． そして（c）ブロックの最外

少量の TEMPO-CNF を添加することで 50℃以下の温度で層に位置する多糖鎖がより薄いブロックとして本体からも反応を促進し，安全でクリーンかつコスト効率の良い切り離される．

水素生成が可能となった [19]．

ま た，TEMPO 酸 化 型 セ ル ロ ー ス ナ ノ フ ァ イ バ ー（TEMPO-CNF）の溶液中の構造として，クライオ TEM 像を測定した結果を図 16 に示す．この構造を元に，利用者

３．４

イオン交換法で得られるエクソソームの形態

らは，TEMPO-CNF をアルミニウム粉末と純水との反応

東京大学大学院工学研究科バイオエンジニアリング専を促進する触媒として利用することを検討した．TEMPO-

攻の瀬尾 尚宏 特任准教授は，医療応用に向けた生体ナ

CNF は真の 1D ナノ構造で，水は TEMPO-CNF に対してノ粒子としてのエクソソームの生物学的および物理化学

高い親和性を示している．アルミニウム粉末 (Al)/ 純水反的性質の解明に取り組んでいる．エクソソームはがんをはじめとするさまざまな疾病の診断や治療，再生医療等，幅広い領域で応用可能な次世代モダリティとして注目され，世界中で活発な研究開発が行われている．現在，エクソソームの精製には，「超遠心法」を用いることが主流であるが，高額な装置が必要で，精製作業に時間がかかり，得られたエクソソームは純度が低く，マウスに投与すると主に肝臓で分解・吸収されてしまい体内循環性を失う
等，様々な問題点があった．また医薬品分野での研究開発においては，原料となるエクソソームの純度の低さは，残存する夾雑物による副作用が懸念され，安定した安全性を確保できない．夾雑物が少なく生物活性を持ったエ
クソソームは陰イオン交換法で調製できるので [20]，これと超遠心法で得られるエクソソームとの粒子構造を比較検討した．図 17 に超遠心法で得られたエクソソーム（a）と，陰イオン交換法で得られたエクソソーム（b）のクライオ TEM 像を示す．超遠心法では膜融合する等，歪な形

図 16

TEMPO-CNF のクライオ TEM 像

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態を持つエクソソームが多いのに対し，陰イオン交換法

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-11

図 17

超遠心法で得られたエクソソーム（a）と陰イオン交換法で得られたエクソソーム（b）のクライオ TEM 像（スケールバー：100nm）

エクソソームは，綺麗な球形が保たれていることがわかる．今般東洋紡（株）との共同研究により，イオン交換機能を持つエクソソーム分離膜を開発している [21]．

https://nanonet.mext.go.jp/page/dir000007.html[4] 令和 5 年度 技術スタッフ表彰
https://nanonet.mext.go.jp/page/awards_for_
technical_staff_R05.html[5] 東京大学マテリアル先端リサーチインフラ・データハ
ブ拠点

４．おわりにhttps://lcnet.t.u-tokyo.ac.jp/

木村氏は ARIM 令和 5 年度技術スタッフ表彰技術支援貢献賞に加えて，2024 年 4 月 17 日，令和 6 年度の科学技術分野における文部科学大臣表彰 [22] において，「透過型電子顕微鏡による多岐にわたる研究開発への貢献」で，[6] ARIM-mdx Data System
https://lcnet.t.u-tokyo.ac.jp/data_system/[7] RDEhttps://dice.nims.go.jp/services/RDE/

研究支援賞を受賞されている．また研究支援事例の３．１[8] Toyotaro Suzumura, Kenjiro Taura, Masatoshi Hanai,

では，令和 3 年度秀でた利用成果で，利用者と共に表彰

et al. (30+ authors) , “mdx: A Cloud Platform for

されており，その貢献が大きかったことが容易に推測さ

Supporting Data Science and Cross-Disciplinary

れる．東京大学の共用装置，
透過電子顕微鏡関連の課題に，

Research Collaborations” , IEEE CBDCom 2022

年間 200 件以上の支援を実施している．そして，様々なhttps://doi.org/10.1109/DASC/PiCom/CBDCom/

工夫を凝らし，さらなる支援の効率化に尽力されている．

Cy55231.2022.9927975

利用者への要望として，①難しい内容ほどやりがいを[9] Masatoshi Hanai, Mitsuaki Kawamura, Ryo Ishikawa,

感じるので，どんなことでもダメ元で相談して欲しい，

Toyotaro Suzumura, and Kenjiro Taura, ”Cloud②利用者が多くの成果（論文・特許・実用化等）を出しData Acquisition from Shared-Use Facilities in Aているおかげでこの事業が成り立っているので，継続的University-Scale Laboratory Information Managementに運営するためにぜひ一緒にアウトプットを出して欲し

System” , IEEE/ACM UCC 2023 https://dl.acm.org/

い等を挙げておられる．この様な謙虚かつ，前向きな姿

doi/10.1145/3603166.3632147

勢こそが名実ともに日本のナノマテリアル開発に大きな[10] 特願 2023-156343 “IoT デバイス，データ転送シス

力となっていると感じるところである．こうした方々にテムおよびデータ転送方法 ” ( 東大 TLO より出願中 )支えられて，日本のマテリアル研究，産業が着実に発展していくことを強く願ってやまない．

[11] FACILITIES

設備案内

https://lcnet.t.u-tokyo.ac.jp/facility/[12] 研究室紹介 相田研究室
https://www.chembio.t.u-tokyo.ac.jp/department/
lab/aida.html

参考文献[13] Daiki Kashiwagi #, Hao K. Shen #, Seunghyun[1] マテリアル革新力強化のための政府戦略に向けて（戦Sim, Koki Sano, Yasuhiro Ishida, Ayumi Kimura,

略準備会合取りまとめ）【概要】

Tatsuya Niwa, Hideki Taguchi, and Takuzo Aida,

https://www.mext.go.jp/content/20200805-mxt_“Molecularly Engineered “Janus GroEL”: Application

nanozai-000009206_1.pdf

to Supramolecular Copolymerization with a Higher[2] ARIM Japan

文部科学省マテリアル先端リサーチイ

Level of Sequence Control”, J. Am. Chem. Soc. 2020,

ンフラ

142, 31, 13310–13315 (# equal contribution)

https://nanonet.mext.go.jp/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05937[3] ARIM Japan

事業についてARIM Japan Magazine 2024

[14] Hao K. Shen, Kiyoshi Morishita, Dr. P. K. Hashim,

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-12

Prof. Dr. Kou Okuro, Daiki Kashiwagi, Ayumi[19] Bunshi Fugetsu, Shuri Yoshinaga, Ayumi Kimura,

Kimura, Dr. Haruaki Yanagisawa, Prof. Dr. Masahide

Takeo Hoshino, Ichiro Sakata, and Akira Isogai,

Kikkawa, Prof. Dr. Tatsuya Niwa, Prof. Dr. Hideki“TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofibers as

Taguchi, Prof. Dr. Takuzo Aida, “ATP-Responsive

Pseudocatalysts for in Situ and on-Demand Hydrogen

Nanoparticles Covered with Biomolecular Machine

Generation via Aluminum Powder/Pure Water“Chaperonin GroEL” , Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62,

Reactions at a Temperature below 50℃ ”, Adv.

e202304894

Energy Sustainability Res. 2023, 4, 2300070.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/

anie.202304894

aesr.202300070[15] 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 令和[20] Naohiro Seo, Junko Nakamura, Tsuguhiro Kaneda,

3 年度秀でた利用成果

Hiroaki Tateno, Asako Shimoda, Takanori Ichiki,

生体内分子機械シャペロニン GroEL によるナノ構造

Koichi Furukawa, Jun Hirabayashi, Kazunari Akiyoshi,

https://nanonet.mext.go.jp/data/doc/1652423652_

Hiroshi Shiku, “Distinguishing functional exosomes

doc_10_0.pdf

and other extracellular vesicles as a nucleic acid[16] カルモジュリン

cargo by the anion-exchange method”, J. Extracell.

https://numon.pdbj.org/mom/44?l=ja[17] Hyuna Jo, Takashi Kitao, Ayumi Kimura, Yoshimitsu
Itoh, Takuzo Aida, and Kou Okuro，“Bio-Adhesive
Nanoporous Module: Toward Autonomous Gating”,

Vesicles 11: e12205, 2022.
https://isevjournals.onlinelibrary.wiley.com/
doi/10.1002/jev2.12205[21] 体内循環性を有する高純度エクソソームの高効率なAngew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2

精製・回収に成功

https://hub.hku.hk/bitstream/10722/298760/1/

https://www.toyobo.co.jp/system/files/News_

Content.pdf?accept=1

Release/202310/press_20231019_1J.pdf[18] Bunshi Fugetsu, Vipin Adavan Kiliyankil, Shoichi[22] 令和 6 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰受賞者

Takiguchi, Ichiro Sakata & Morinobu Endo, “ A finger-等を決定しました

jointing model for describing ultrastructures of

https://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/

cellulose microfibrils”, Scientific Reports volume 11,

mext_01364.html

Article number: 10055 (2021)
https://www.nature.com/articles/s41598-02189435-6

ARIM Japan Magazine 2024

図表は木村氏より提供された．
（金久 修）

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-13