KANTO CHEMICAL CO., INC.

Cç2010 No.4（通巻 218 号）

ISSN 0285-2446

フラットパネルディスプレイ概論（２）液晶ディスプレイ : LCD

鵜飼

育弘

2

強い自己組織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体

清水

洋

7

細菌学の特別講義（1）

阿部

章夫

14

生体不安定鉄の生成と毒性の発現機構

西田

雄三

18

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（31）マックス・プランク

原田

馨

22

編集後記

24

フラットパネルディスプレイ概論（２）液晶ディスプレイ : LCD
Introduction to Flat Panel Display (FPD)(2) Liquid Crystal Display : LCD
Ukai Display Device Institute

代表

工学博士

鵜飼 育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute1．はじめに1．はじめに

図2に示す棒状液晶3PBC 3,4 F 2 は44.2℃で固体となり118℃で液体となる。なお、この液晶分子の長軸は〜

FPDの中で揺るぎない地位を占めている液晶ディスプ

20Å、短軸は5Åである。各タイプの液晶はそれぞれ特有

レイ
（LCD）
について、構成部材としての液晶、偏光板につな規則的分子配列を形成し、分子長軸が互いに平行にいて説明する。次に液晶配列と表示モードについて述べ

配列している点が共通している。

LCDの理解を深める。LCDの中でも一番多く用いられている薄膜トランジスタ（TFT）駆動のTFT-LCDの構造と動作原理を概説し、最後に応用分野についても触れる。
2．液晶とは通常の固体は、昇温により融点で液体に変化する。しかし、特殊な分子構造を有する物質は、図１に示すよう

図2 液晶分子と特性に、固体から液体に直接には転移しない。液晶（liquid
crystal）と呼ばれる中間状態を経てから、通常の液体にこのような特徴的な分子配列のため、液晶が持つ屈折変化する。このような、ある温度範囲で液体と結晶の双率、誘電率、磁化率、電導度、粘性率など物性値（図３）方の性質を示す物質を総称して液晶と呼ぶ。

は、分子長軸に平行な方向と直角な方向（短軸）では相違し、異方性を有す。このような異方性の特徴に加えて、液晶の分子配列は電場、磁場、応力などの外部場の作用で容易に変化するという特徴がある。これは、液晶の弾性率が非常に弱いことに基づいている。誘電率異方性と屈折率異方性を組み合わせた電気光学効果や磁化異方性と屈折率異方性を組み合わせた磁気光学効

図1 物質の状態

果などは工学的応用に役立っている。
ネマティック液晶に電界を印加すると、液晶分子配列2

液 晶 に は ネマ ティック（nematic）、スメクティックの遷移とそれに伴う光学的性質の変化が生じる。これ（smectic）、コレステリック（cholesteric）等が知られている。

は、液晶分子軸方向の誘電率ε//とこれに直行方向の誘

ディスプレイには主にネマティック液晶が用いられている。

（＝ε//
電率ε⊥が異なるからである。この誘電率異方性⊿ε

いずれも棒状分子か板状分子の集団からなる。例えば－ε⊥）は、液晶の持つ各種の電気光学効果ならびに液THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

フラットパネルディスプレイ概論（2）

市販されているフィルム状の偏光板は、図6に示したよによ
うに偏光子と呼ばれるポリビニールアルコール（PVA）
う素（I）
を染色し延伸した膜を保護層としてのトリアセチル
セルロース
（TAC）
でサンドイッチしたものである。なお、一般に片側支持フィルムの外側に粘着剤が塗布されたセパレーターフィルムが添付されている。液晶セルにはセパ
レーターを剥がして直接貼り付けができる。

図3 液晶分子の各種異方性晶素子への多様な応用にとって重要な役割を担っている。図4に示すように、誘電率異方性が正の液晶（⊿ε＞0）
をNp液晶と呼び、負（⊿ε＜0）の液晶をNn液晶と呼ぶ。

図6 偏光板の構造

図4 液晶分子の誘電率異方性

4．分子配列と表示モード
3．偏光と偏光板
4.1 分子配列
光は振動ベクトルが異なるいくつかの成分を含んでい均一で安定な液晶の分子配列はLCDに必須である。

る。偏光（polarization）とは電場および磁場が特定の方というのは、いずれのタイプのLCDデバイスを取って見て向にのみ振動している光のことである。振動方向が規則

も、液晶の特定な初期分子配列を電場の作用で別の分的な光波の状態を偏光という。偏光板は図5に示すよう

子配列状態に変化させ、この分子配列変化に伴う液晶に、光の進行方向に垂直で、特定の方向に強く振動す

セルの光学特性の変化を視覚的に変換することにそのる光だけを透過し、他の成分は吸収（遮断）する機能を基礎をおいている。

持っている。

液晶分子配列の種類は多様であるが、図7に現在実用化されているLCDに用いられている代表的なものを紹介する。
①ホモジニアス配向：全ての液晶分子が両方の基板面に対して平行に、かつ同一方向に配列している。Np
液晶を用いた場合、両側の基板間に電圧を印加することで、液晶分子は電界方向に平行に再配列する。
②ホメオトロピック配向：すべての液晶分子が液晶セルの両方の基板面に対して垂直に配列している。Nn液晶を用いた場合、両側の基板間に電圧を印加するこ

図5 偏光板の機能：光のシャッターとで、液晶分子は電界方向に垂直に再配列する。

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3

視差（parallax）
による2重像が生じない。従って高精細化が可能となる。反射型は周囲光を変調することで表示を行う。したがって、周囲光が暗くなるとおのずと輝度は低くなり視認性が悪くなる。これをカバーするのがフロント・ライト・ユニット（FLU）である。光源として白色LEDが用いられている。
最近のモバイル機器用ディスプレイには、いつでも、ど
こでも綺麗な表示品位が要求され全環境型のディスプレイの実現が高まっている。この要求を実現するための表
示モードが半透過型である。セル構造を同図に示した
図7 誘電率異方性と液晶分子の再配列

が、1画素は2分割された透過部と反射部から構成されている。透過部と反射部のセル厚が異なるマルチギャップ

4.2 表示モード構造を採用し、各部に対応するカラーフィルタは顔料およLCDの表示モードを大別すると、図8に示すように透過び膜厚の最適化を図り、透過光および反射光で広色再型（Transmissive Mode）、反射型（Reflective Mode）、半

現性を実現し、高品位の表示が得られる構造のものも市

透過型（Transflective Mode）がある。透過型はノートPC

販されている。

や液晶TV用として広く採用されているモードである。このモードは、背面もしくはサイドからの面状もしくは線状のバ

5．TFT-LCD の構造と動作原理

ックライト光をLCDパネルで時間的空間的に変調し情報を 表 示 するものである。光 源には冷 陰 極 蛍 光ランプ

FPDの駆動方式については前回（1）で触れたので、こ（Cold Cathode Fluorescent Lamp: CCFL）や白色LEDがこでは広く実用化されている薄膜トランジスタ（TFT）駆動用いられている。透過型は後述の反射型に比べ、コントのTFT-LCDについて述べる。

ラスト比や輝度、色再現範囲などの表示性能が優れてい

5.1 TFT-LCDる。これらは、LCDの光透過率の低さと目障りな表面反TFT-LCDは、図９に示すようにスキャンラインとデータライ

射を透過型では強力なバックライト・ユニット
（BLU）
で凌

ンのマトリックス交差部の画素ごとにスイッチングデバイスをいでおり、暗所および室内での表示の視認性は良好で組み込んだ構造（アクティブマトリックス）
で駆動する方式ある。ただし、LCD本来の低消費電力の特徴はBLUのであり、必要に応じてキャパシタを付加している。この方使用で半減される。

式を用いることにより、単純マトリクス方式に比べ、コントラストや応答時間などの表示特性が大幅に向上している。

図8 LCDの表示モード
図9 TFT-LCDの基本構成

反射型のセル構造を同図に示すが、反射電極としての

4拡散反射板を液晶層のすぐ背面に配置した構造（In-

この方式は、用いるスイッチングデバイスにより薄膜トラ

Cell構造）で、反射電極と画素電極が一体構造のため、ンジスタTFT（Thin Film Transistor）などを用いる3端子デ

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フラットパネルディスプレイ概論（2）バイス型とMIM(Metal Insulator Metal)などの2端子デバ
イス型に大別される。なお、現在商品化されているものは3端子デバイス型のみである。
5.2 デバイス構造と駆動方法
図10（a）にTFT-LCDのデバイス構造を示す。TFTアレ
イが形成された基板と、対向電極として透明電極が形成された基板の間に液晶が注入されている。図には表示していないが、カラーLCDの場合は、対向基板上に赤、緑、青のカラーフィルタが画素電極に対応して設けられて

図11 TFT-LCDの駆動波形いる。なお、画素の等価回路を図10（b）に示す。
各ゲートラインは表示のスキャンに対応し、まずG１に接続されたTFT列をオンさせる。このとき表示のレベルに対応した電圧がデータラインD１からDｎに送られ、オンしているG１列のTFTを介し各画素の液晶に一斉に伝えられる。
このように、G2 列、G3 列と順次書き込まれ、１フィールド時間
内にすべての画素に表示信号が書き込まれる。TFTを介して画素に書き込まれた信号は、基本的にはTFTのオフ時には電流が流れないため、次に書き込まれるときまで、画素に電荷の形で保持される。これにより、各画素には
図10（c）に示すように１フレームで２回、プラスとマイナスの信図10 TFT-LCDの構成と駆動方式

号が書き込まれることになる。
画素電極波形は、（a）書き込み特性、（b）フィールドス
ルー特性、（c）保持特性に依存して変化する（図10（c）参5.3 TFTによるアクティブマトリックス駆動照）。書き込み特性は、TFTのオン電流、画素容量、書き

TFT-LCDでは図９に示したように、m本のスキャンライン

込み時間、信号電圧に依存する。tw 時間後にゲートがオ（ゲート線あるいはYラインともいう）とn（G1,G2,G3・・・,Gm）

フした瞬間、画素電極電位Vp はフィールドスルー電圧⊿

本のデータライン（D1,D2,D3・・・Dn）（ソース線あるいはX

V（突き抜け電圧ともいう）分だけ低くなる。その後の保pラインともいう）
からなるm×nマトリックス配線の交点に、ス

持特性は、TFTのオフ電流、画素容量、保持時間、液晶

イッチング素子であるTFTが設けられる。TFTのゲート電極

抵抗を通してのリーク電流などに依存する。

はスキャンラインに、ソース電極はデータラインに接続され、フィールドスルー現象は、TFTのゲート・ソース間の寄生

ドレイン電極は画素の透明電極に接続される。スキャン

容量Cgs が原因であり、ゲートパルスがオンの時に液晶容

ライン群は外部でＸドライバICに、データライン群はＹドラ

量CLC、蓄積容量CS、Cgs に充電された電荷が、ゲートパ

イバICに接続される。

ルスがオフになった瞬間に各々の容量に再分配されるこ

液晶を直流駆動すると液晶内部のわずかな不純物が電荷となり一方に偏って蓄積し、液晶が劣化し、正常な表示ができなくなる。これを防ぐために常に極性を反転させとに起因する。このフィールドスルー電圧⊿Vp は、
⊿Vp ＝

VgCgs
Cgs＋CLC＋Cs

る交流駆動を行なわねばならない。このため、１フレームで表される。寄生容量Cgs はTFTの構造に依存するパラで１画面を構成し、１フレームは正フィールドと負フィールド

メータであり、容易に変えることはできない。したがって、で構成される。すなわち、データラインには常に図11のよ

設計的には、蓄積容量であるCSを大きくすることで⊿Vp

うに正および負フィールドにおいて対称なプラスとマイナスの低減をはかることになる。TFTのデバイス構造面からのの信号を加え交流信号が印加される。

Cgs 低減策としては、ゲートとソース電極パターンを自己整合

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5

させることによりマスクアライメントに起因するパターン精度

5.5 TFT-LCDの種類と応用分野の低下を防ぐか、短チャネル化を図ってTFT自体を小さく（1）a-Si TFT-LCD

することなどが行われている。
5.4

Si 系トランジスタの特徴比較

1986年に3型LCD-TVが商品化されたのが最初である。その後ノートブックPC、デスクトップモニター用、大型

現在実用化されているアクティブマトリクス駆動用のSi

LCD-TVと応用分野が広がるとともに表示品位も向上し、（a-Si ）
、低温ポ系トランジスタには、アモルファス・シリコン

今やCRTの地位を奪う状態まで市場が成長した。応用

リシリコン（Low Temperature poly-Si : LTPS）、高温ポリシ

分野も民生用に留まらず、航空機のコックピットやナビゲー

リコン(High Temperature poly-Si : HTPS）、単結晶シリコ

ションなどの車載用にも広く採用されている。

ン（Single crystal-Si : c-Si）が用いられている。各種基板（2）LTPS TFT-LCD

上に形成されたトランジスタの特徴を表1に示す。ディスプ

LTPS TFT-LCDはa-Si TFT-LCDと比較して、微細なレイ用として比較するために、移動度、デバイス構造（n-CMOS回路を大型基板上に形成できる。したがって、応ch、p-ch、CMOS）、基板の種類と透明性、基板サイズ、用分野はこの特長を活かした中小型の携帯機器用ディプロセス温度、マスク枚数を挙げた。移動度についてみスプレイが主である。ビデオカムコーダ（VCR）、デジタルス

ると、a-Si TFTが１cm2/Vs以下であるのに対してLTPS-TFT

チルカメラ（DSC）、
ミュージックプレーヤー（MP）、携帯電

およびHTPS-TFTは1桁から2桁以上の移動度を有し、開話、ノートPCなどである。

発レベルではc-SiTFT並みの移動度を有するLTPS-TFT（3）HTPS TFT-LCDも報告されている。作製に必要な基板温度は、a-Siが一a-Si TFT-LCDおよびLTPS TFT-LCDが、ディスプレイを

番低く、表の右側になるほど高温プロセスを必要とする。

直接目で見る（直視型ディスプレイ）のに対し、HTPS TFT-

無アルカリガラス基板が使えるプロセス温度（600℃）
を境

LCDはパネルと光学系の組み合わせで、パネル上の画にして、低温プロセスによる多結晶Si TFTをLTPS-TFT、像を投影して見る投影型（プロジェクションタイプ）のディス

高温プロセスによるものをHTPS-TFTと呼んでいる。基板

プレイである。応用分野としては、データプロジェクタおよ

サイズは、HTPSおよびc-Si用の直径300mmの基板から

びプロジェクションTVがある。

a-Si用の第10世代無アルカリガラス（〜3m角）の超大型基（4）LCOS（Liquid Crystal on Silicon）

板が用いられる。Siウエハは不透明のため、LCDへの応LCOSとは、Siウエハと対向する透明基板の間に液晶用を考えると反射型による表示しか実現できないが、ガラを挟みこむ構造である。Siウエハ側には液晶駆動回路

ス基板および石英基板は透明なので透過型も実現できと画素電極を設け、透明基板と液晶層を通過した光は、る。プロセスに必要なマスク枚数は、a-Si TFTの3－5枚か画素電極において反射される。透過型液晶デバイスで

らc-Siの30－40枚と表の右側になるほど多くのマスクを

は、画素電極の周囲に信号線等の回路が作られている必要とする。プロセスコストは、基板の種類、マスク枚数

ため開口率が低下するが、反射型液晶デバイスでは、画に左右されるため、表で右側の方が高くなる。

素電極下に回路が作られているため高い開口率を実現

表1 Si系デバイスの比較できる。 例えば、HD対応のデバイスでは、画素ピッチ７μm、画素間スペース0.35μm、開口率90％以上のものが実用化されている。
6．おわりにLCDとしての基礎的なことについて述べたが、現在実用化されている広視野角技術や広色再現技術などに関しては紙面の都合で触れられなかった。これらの技術に関しては、第6回および第7回の部品・材料技術の中で取り上げる予定である。

6

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000000000

強い自己組織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体
Liquid Crystalline Semiconductors as an Organic Semiconductor with Strong Self-Assembling Nature（独）産業技術総合研究所（関西センター）ユビキタスエネルギー研究部門

ナノ機能合成グループ

清水 洋

YO SHIMIZU
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Kansai Center
Research Institute for Ubiquitous Energy Devices
Synthetic Nano-Function Materials Group

1．はじめに題である「半導体の溶液化」と「溶媒蒸発に伴う高品位な薄膜形成」という有機半導体の開発では、有機溶媒に可有機半導体を用いた電子デバイスの研究開発は、EL溶で、高品位な薄膜の自己組織化性という省エネルギー（電界発光）
デバイスがTVとして家電量販店に登場し、今プロセスを経る点で、液晶の持つ特徴が発揮されると考後急速に展開するものと予測される。大気中における酸えられる。

化劣化や湿度、温度による問題があり、その実用材料と

本稿では、強い自己組織化性を有する液晶の特徴をしての信頼性が疑問視され長く「基礎研究」
であった分野ふまえて、液晶性有機半導体について研究の現状を簡単

が、世の中に貢献する実用材料として、デバイスの軽量化に紹介する。

やフレキシブル化、
プリンテッドエレクトロニクスへの展開と、その研究開発は益々加速の傾向にある。その中心と2．液晶性化合物の特徴１）なっている研究課題の一つが有機半導体であり、特にプ
リンテッドエレクトロニクスへの対応では、
インク剤として溶液晶とはある特定の条件下、熱力学的安定相とし液からの薄膜形成が可能な半導体として期待が大きい。

て液晶相を示す物質或は状態の総称である。通常、熱本稿で紹介する「液晶性有機半導体」
は、大量生産で相転移の中で現れる液晶相（サーモトロピック液晶）

き安価な、
そしてフレキシブルなデバイスを実現するためと、溶媒中で溶媒分子も取り込んで液晶相を形成すの、新たな薄膜形成の湿式プロセスとして注目されている濃度相転移型のリオトロピック液晶の2つに区別

る。即ち、
「塗る」
や「吹きかける」
における新たな研究課

して説明される。前者の場合、液晶相は温度的には結図１ 熱相転移に伴う液晶相形成

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

7

晶固体と通常の液体の間に現れる（図1）。液晶分子は

このような液晶性分子は、典型的には図3に示すような

総じてその形状が異方的であり、その典型が一次元

化学構造をとる。即ち、分子中心にはπ電子共役系から的な棒状（calamitic）
及び２次元的な円盤状（discotic）
分なる芳香環のような剛性の高い部分（コアと呼ぶ）があ子である。液晶ディスプレーに用いられているのはこのうり、棒状分子の場合はその両末端、あるいは一方に、まちの棒状液晶で、室温付近を中心にネマチック相という液た円盤状分子の場合はその周囲に6本ないしは8本のア晶状態を取る材料が用いられている。液晶相では分子ルキル鎖などの屈曲性に富む長鎖が配されている。

は、結晶固体のようにじっとしていない。結晶固体中で一般的にπ電子共役系が拡大すると、有機溶媒への溶は、分子は大きく動くことはなく、これがマクロな物性として解度が大きく低下することは良く知られた事実である。液の硬さとなっている。一方液晶状態では、分子は回転や晶性分子では、コア部に結合する屈曲性部（代表的にはア

並進などの動きを持っているが、分子形状の異方性から

ルキル基）による有機溶媒への溶解度のみならず、親水性ある方位を持って配向する。この分子間の束縛力、即ち鎖の導入により水への溶解度も向上させることが可能であ

分子間相互作用は粘性や流動性に反映される。また、り、インク化が可能な性質を備える。更に液晶の最も魅力

分子は配向秩序を有しているため、その物性は異方的な性質の一つは、基板上であるいは基板間で自発的的である。通常、液体と言っているのは、このようなに配向し、一様な配向を持つモノドメイン膜の形成が容易

分子の配向の秩序が長距離的秩序としては崩壊したなことである。有機薄膜トランジスタや有機太陽電池など

状態、即ち弱い分子間相互作用の下、でたらめに分子の有機薄膜デバイスでは、電極間を有機半導体薄膜がつが寄り合い集合体を形成している状態であり、そのなぐ構造となるので膜中の分子の配向の均一性は基本

結果流動性を示し、かつその物性は等方的なものと的に重要である。液晶状態では基板界面の工夫や電場なる。本稿では、液晶の持つ特徴をサーモトロピック

や磁場、光等の外部場により分子の配向方位の制御が液晶に代表させた形で紹介する。

比較的容易に行える。従って、「塗って、乾かして、できた膜

棒状分子の場合、最も単純な配向秩序は棒状分子のは均一に配向した高品位なもの」というプロセスを実現しう

長軸がおおむね一方向に配向するネマチック（nematic）相る点で薄膜材料として大きな魅力を持っており、それはこであり、通常、
その低温領域にスメクチック（smectic）相がれから述べる最近の研究状況にも反映されている。

現れる。層状構造を持つことがスメクチック相の特徴であり、後述するが、有機半導体としての液晶で電荷は分子間をホップして進むことから、スメクチック相は２次元に広がった電荷移動パスを持つことを意味する。一方、円盤状分子の場合は分子が積層して形成するカラム構造の形成に特徴がある。カラム構造を有する液晶相をカラムナー液晶相と言い、電荷の移動はカラム軸方向に沿って起こることから電荷移動パスとしては１元的である（図2）。

図３ 液晶性有機半導体の代表的な化合物系

3．有機半導体としての液晶
3.1 液晶性有機半導体研究の歴史的背景
このような機能性インクの元となる特徴を有する液晶性化合物は、通常分子の主骨格としてπ電子共役系を持つ
図２ 液晶性分子の異方的分子形状と分子配向

8THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

ことから有機半導体としてのポテンシャルも持つことが期強い自己組織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体

2-0.5
k =（4p2/h）t（4plk（-l/4kBT）
BT） exp

待される。
1960年から70年代にかけての光伝導性研究 2）に続き、

l: reorganization energy, t : transfer integral

1980年代初頭には、液晶を有機半導体として捉えたキャ
リヤ移動度に関する報告がある。しかしながらその移動

この式からキャリヤ移動度を向上させるために重要な度は、イオン伝導の特徴を持ち 10 〜10 cm V s と魅パラメータは、再配向エネルギーl（reorganization energy）

力的なものではなかった3,4）。即ち当時は、液晶相におけ（transfer integral）の2つである。特に、後者と移動積分tるキャリヤ輸送の実態はイオン的なものと結論された。そは2乗で効くことから影響は大きい。前者は、電荷が載るの後、ポルフィリンをコアとする液晶などで光起電力 や前の中性の状態と電荷が載った後の状態の分子のエネ

光伝導性 が報告されているが、本格的な液晶性半導ルギー差に相当するパラメータである。後者は、電荷ホッ体の研究の起爆剤となったのは、1994年ドイツのHaarer

プする2つの分子間におけるそれぞれの分子の最高非らによるディスコチック（円盤状）
液晶の高次配向カラムナ

占軌道（HOMO）
間及び最低空軌道（LUMO）
間の相互作

ー相におけるアモルファスシリコン並みの高速キャリヤ移動用の強さを表している。例えば、トリフェニレンをコアに持

-5

-6

2

-1

-1

5）

6）

‐1

度（10 cm V s ）の発見である 。その後、棒状液晶につディスコチック液晶では積層カラム構造において、積層2ついても東工大の半那らにより慎重な研究が行われ、ス分子の積層軸周りの回転に基づく相対配置や積層方向

メクチック相の高次配向秩序相では明らかに電子的過及びその垂直方向での位置的ずれによる移動積分の変程による電荷輸送が見られ、かつその移動度は10 cm

化が検討され、静的描像ではあるが液晶状態で起こりう

V s に達することが報告された 。現状では、棒状系、る状況が報告されている 11）。しかしながら液晶の場合

cm2 V-1 s-1の円盤状系を問わず、またポリマー系でも10１は、分子は、時々刻々その位置及び局所的方位が変化し高速キャリヤ輸送を示す材料がいくつか見いだされていている動的な状況にあり、電荷のホッピング時間
（ピコ秒

る
（図3）
。

程度）
に加え、電荷が次々ホップしてゆくある程度の相関3.2 電荷輸送機構と液晶性半導体の分子設計論

長の状況を考慮することとなる（図4）。即ち、分子揺動の

2

-1

-1

7）

-2

-1

-1

2

8）

液晶性有機半導体は液晶状態の持つ揺らぎのため、制御という新たな項目が、液晶性半導体の高速電荷輸送

その半導体特性は結晶性半導体のようなバンド理論に化には加わってくる。最近のシミュレーション研究ではこの則した特性とは異なるものと考えられ、基本的に非秩序ような動的要素を取り入れる工夫も始まっており、動的状性（disorder）
を含むその電荷の輸送過程は分子間の電況を加えることにより予想されるキャリヤ移動度は2桁上）
荷ホッピングに基づいているとされる 9（図4）。

昇することが指摘されている 12）。従って、高速キャリヤ移動を目指す研究の現状はディスコチック液晶では、分子中心に配されるコアのπ電子共役系の拡大とその高い回転対称性の構築である。棒状液晶系では、スメクチック層状構造における電荷輸送パスの２次元性の中で層状構
造におけるπ電子共役系平面のヘリングボーン充填の実現という高次配向構造の構築となる。
このように液晶性有機半導体はキャリヤ移動度としては、その運動性からみてバンド理論が適用可能な単結晶には及びそうにない。実際の薄膜デバイスでは有機化合

図４ カラムナー相及びスメクチック相における電荷移動と分子設計概念

物の場合、単結晶は成長させる困難さと固体の力学上のもろさという点で、多結晶薄膜や液晶等自己組織化性薄膜などに比べてフレキシブルデバイス用途としては信頼性

即ち、その素過程は分子間の電子移動であり、その速度はMarcus理論に基づき、次の式によって記述される。

10）の点で懐疑的な考えがある。一方、液晶系、或は高分子
系ではフレキシブル化への対応に優位性を示しうることが期待される。最近、液晶性半導体を用いたFET（電界効

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

9

果トランジスタ）
において、大きなたわみに対するキャリヤ
移動度の低下が固体系よりも小さいという結果が報告され興味深い 13）。しかし、自己組織化性の利点は、分子の運動性と化学構造に帰することができるので、自己組織化性とキャリヤ移動度の高速化は相反する事象と言えどこまでキャリヤ
る。即ち、自己組織化性を失わないで、移動度を高速化可能なのかが問われることとなる。
キャリヤ移動度の高速化には、液晶配向秩序の高次化が不可欠である。カラムナー相では 配向秩序の低下、
即ち分子の運動性の増大がキャリヤ移動度の低下となる 14）。また、棒状液晶系ではスメクチックA相やネマチッ
ク相等の低配向秩序相の低いキャリヤ移動度 15）、スメ

図５ スメクチック相における液晶相と柔粘性（plastic）相

クチック相の層内配向秩序の高次化に伴うキャリヤ移動度の向上といった大まかな相関が見られる。しかし、高速機半導体の開発につながることへの期待がある。

のキャリヤ移動度を示す液晶性半導体は、高配向秩序・

例えば、我々と関東化学株式会社の共同の研究成果

高粘性という配向制御にとっては不利な状況に陥る可能であるナフタレン 環 にチオフェン 環を2つ 結 合させ た性も否めない。

8TNAT8（図6）では、スメクチック相の高配向秩序相の形成を目指した経験的分子設計手法によって単純な相転移

4．材料研究と薄膜デバイスへの応用と高次配向秩序を持つメソフェーズの形成を実現した。
そのキャリヤ移動度は、ポリドメイン試料に対するもので4.1 棒状液晶系

あるものの３次元格子（triclinic）を持つスメクチック様のメ

棒状液晶系は先述のようにスメクチック相の特徴であソフェーズ及び結晶相についてそれぞれ10 -2 及び0.17

る層状構造、特に層内の高い分子配向秩序を持つス

cm2 V-1 s-1 であり、ドリフト移動度としての高速性を見いだ

メクチックE相 16）、B相 17）について詳細な報告がある。

している 19）。棒状液晶系では、チオフェン環を含む系で

図5のようにスメクチック相では研究の歴史的経緯によ高速キャリヤ移動度を達成しているものが他にも報告さって本来の液晶相というより、高次の配向秩序を有するれており、これらは薄膜トランジスタとしても有意な性能を

３次元格子を持つ高粘性な層状構造相をスメクチック

発揮する 20）。

液晶の一形態として扱ってきた。しかし、本来の液晶は
分子重心の位置秩序を持たないとされているので、厳密には図5の下半分はスメクチック液晶ではない。それらの相は３次元秩序を有しつつも粘性を伴うという意味
で、結晶固体とは異なる動的結晶状態として柔粘性（plastic）相と位置づける。自己組織化の観点からこの動的状態は重要で、我々は液晶等の動的秩序性分子集合体としてそれらを包括するメソフェーズ（中間相：mesophase）へと概念拡張することにより、新たな自己組
織化性有機半導体の研究の方向性を提案した18）。即ち、高速キャリヤ移動度を示す液晶性有機半導体の分子設計手法が、微弱な分子の運動性を伴う、言い換えれば結晶固体様の自己組織化性と高い電荷輸送能を持つ新たな有機半導体、更には結晶性の良い新たな有10

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

図６ 8TNAT8を活性層に用いたtop-contact/bottom-gateg型薄膜トラン
ジスタの特性強い自己組織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体

ここで重要なことはスメクチック相様の層状構造を有するメソフェーズ、或いは結晶相は、高次配向秩序を持つ
スメクチック相について我々が経験的に持っている定性的分子設計手法の適用が可能と思われることである。
現に、液晶系を意識しないで研究されてきた長鎖を有す
る有機半導体においても比較的良好な結晶膜を得ることができ、その結果10-1 cm2 V-1 s-1 オーダー、或はそれ以上の高速キャリヤ移動度を薄膜トランジスタとして観測している例が多く報告されている 21,22）。
4.2 円盤状液晶系
円盤状液晶の電荷輸送では、カラム軸方向に一次元的電荷移動容易軸を持ち、高速のキャリヤ移動度を示しうる構造を持つ。しかしながらこの電荷移動の一軸性
は、一方で薄膜半導体としての取り扱いをより困難にして

図７ 代表的な円盤状液晶をベースとした有機半導体

いる面が否めない。カラム軸横方向への分子配向のずれは、導電線の断線と同様の状況を生むこととなる。後述するように、このことがバルクのキャリヤ移動度が高速

ニンやトリフェニレン等のπ電子系についてのキャリヤ移動であっても、薄膜トランジスタとしての性能はそれより１桁な度の報告はあるものの、
トランジスタに関する報告は少な

いしは２桁下がる傾向に関係していると考えられる。

い 29,30）。一方で円盤状液晶は、有機薄膜太陽電池用半例えば、ヘキサベンゾコロネン液晶（図7）
は、移動積分

導体としての魅力も強く、例えばヘキサベンゾコロネン液晶

を大きくするためにπ電子共役系の拡大を分子面内回転とペリレンジイミド液晶の単純なバルクヘテロ型デバイスで、の対称性を高く取るという考え方で具現化したものであ

34％以上の外部量子収率が報告されている31）。また、最る。そのキャリヤ移動度は、バルクではPR-TRMC法で近我々は、高速キャリヤ移動度を示すフタロシアニン液晶

10 cm V s オーダーの高位にあることが報告されてを用いたバルクへテロ型デバイスで、70％を越える外部量

-1

2

いる

23）

-1

-1

。しかし、薄膜ではTOF法で10 cm V s オー
-3

2

-1

-1

ダー 24）のドリフト移動度を計測しているにすぎない。この

子収率と3％を越える変換効率を見いだしている32）。
4.3 ポリマー系

違いは計測手法の原理的な問題を背負っており、局所空ポリマー系半導体の場合は、π電子系主鎖共役型と間における電荷の移動か、電極間の膜全体のモルフォロ

π電子系を側鎖に持つ2つのタイプがある。キャリヤ移ジーを反映した電荷の移動かという問題に起因すると考動度の高速性から、実質的に前者が研究の主流となっえられている。この化合物系では、巨大なπ電子共役系ている。最近ではそれらのオリゴマーの研究も進んで故に液晶相であっても極めて粘性の高い状態となり分いる 33,34）。例えば、ポリマーの薄膜モルフォロジーが電子配向の均一性確保の妨げの一要因と考えられる。こ気伝導性に対して顕著な影響を与えることは、ポリ（3−ヘれは一般的にカラムナー相における配向制御をかなり難し

キシルチオフェン）（P3HT：図8）
等多くの研究により示されいものにしており、摩擦転写法による配向高分子上での配ている 35）。P3HTは250℃付近から高温側で液晶状態

向制御 25）、zone-cast法 26）や磁場中での配向制御 27）、偏を取り、熱アニールが良好な物性を引き出すことは良く知光赤外光による波長選択的振動モード励起法 等興味られた事実である 36）。また一部のフルオレン系ポリマー

深い手法が検討されてきた。しかしながら、これらの手法も、同様に長鎖アルキルを持つものでは液晶性が発現により形成された薄膜のトランジスタ特性については、いず

する 37）。ポリマー系に お ける最 近 のトピックスは 、れも10-2 cm2 V-1 s-1 オーダーを超える移動度は報告されてMcCullochらによるチエノチオフェン構造を主鎖に持ついない現状がある。

液晶性高分子半導体（図8）である。溶媒への可溶性も

28）

円盤状液晶には、
ヘキサベンゾコロネンの他フタロシア

さることながら、塗布膜としての良好な成膜性が生み出

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

11

す薄膜トランジスタとしての性能は10-1cm2 V-1 s-1 オーダー
でほぼ1 cm2 V-1 s-1 に近い。ポリマー系の問題としてよく指摘されるモルフォロジー制御の欠点をかなり克服し、塗布型材料として実用的価値が高いと推測される 38）。

図９ 液晶におけるドメイン粒界の自己修復性のイメージ

引用文献
1） 液晶便覧、液晶便覧編集委員会編、丸善、2000。

図８ ポリマー系液晶性半導体の例

2） S. Kusabayashi and M. M. Labes, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 7,395 (1969).
3） K. Okamoto, S. Nakajima, A. Itaya and S. Kusabayashi, Bull.
Chem. Soc. Jpn., 56, 3545 (1983).

5．最後に

4） K. Okamoto, S. Nakajima, M. Ueda, A. Itaya and S.
Kusabayashi, Bull. Chem. Soc. Jpn., 56, 3830 (1983).

強い自己組織化性を有する液晶性有機半導体材料

5） B. A. Gregg, M. A. Fox and A. J. Bard, J. Phys. Chem., 94,
1586 (1990).

と、
トランジスタ研究の現状を簡単に紹介した。有機半導体を用いた各種薄膜デバイスの研究開発は今後もさらにに対応する塗布型有機半導体としての研究開発は、
今後

7） D. Adam, P. Schuhmacher, J. Simmerer, L. Häussling, K.
Siemensmeyer, K. H. Etzbach, H. Ringsdorf and D. Haarer,
Nature, 371, 141 (1994).

益々進展すると考えられる。ここで強調しておきたいこと

8） M. Funahashi and J. Hanna, Phys. Rev. Lett.,78, 2184 (1997).

は液晶性半導体は、結晶相で半導体膜として使用する

9） Physics of Organic Semiconductors, W. Brütting Ed., WileyVCH, Weinheim, 2005.

発展してゆくと考えられ、特にプリンテッドエレクトロニクス

場合であっても良好な結晶膜を得ることができる可能性が高いということである 38）。更に液晶性半導体では、固体系半導体ではキャリヤ移動に大きな障害となるドメイン
粒界の影響を受けにくい 39）。これは、液晶相における配向ドメイン境界の分子配向の連続的変化が関係していると考えられる（図9）。本分野の詳細は、最近のいくつかの総説からも知ることができる 18,40−45）。今後開発されて行くであろう実用的な自己組織化性有機半導体は、多かれ少なかれ液晶性に関係したものになると考えられる。
同時に現在の色素、顔料系分子への化学修飾による液晶性の導入が、新たな有機半導体を生み出す可能性にも期待感がある。

126） Y. Shimizu, A. Ishikawa, S. Kusabayashi, M. Miya and A.
Nagata, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 656 (1993).

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

10） V. Balzani, A. Juris, S. Campagna and S. Serroni, Chem. Rev.,96, 759 (1996).
11）J. Cornil, V. Lemaur, J.-P. Calbert and J. –L. Brédas, Adv.
Mater., 14, 726 (2002).
12）Y. Olivier, L. Muccioli, V. Lemaur, T. H. Geerts, C. Zannoni
and J. Cornil, J. Phys. Chem. B, 113, 14102 (2009).
13）F. Zhang, M. Funahashi and N. Tamaoki, Org. Electron., 11,363(2010).
14）J. Simmerer, B. Glüsen, W. Paulus, A. Kettner, P.
Schuhmacher, D. Adam, K.-H. Etzbach, K. Siemensmeyer, J.
H. Wendorff, H. Ringsdorf and D. Haarer, Adv. Mater., 8, 815(1996).
15）M. Funahashi and N. Tamaoki, Chem. Phys. Chem., 7, 1193
(2006).

強い自己組織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体

16）M. Funahashi and J. Hanna, Appl. Phys. Lett ., 73, 3733
(1998).
17）M. Funahashi, F. Zhang, N. Tamaoki and J. Hanna, Chem.
Phys. Chem., 9, 1465 (2008).
18）Y. Shimizu, K. Oikawa, K. Nakayama and D. Guillon, J.
Mater. Chem., 17, 4223 (2007).
19）K. Oikawa, H. Monobe, K. Nakayama, T. Kimoto, K.
Tsuchiya, B. Heinrich, D. Guillon, Y. Shimizu and M.
Yokoyama, Adv. Mater., 19, 1864 (2007).
20）M. Funahashi, F. Zhang and N. Tamaoki, Adv. Mater., 19, 353(2007).
21）H. Ebata, T. Izawa, E. Miyazaki, K. Takimiya, M. Ikeda, H.
Kuwabata and T. Yui, J. Am. Chem. Soc., 129, 15732 (2007).
22）H. Meng, F. Sun, M. B. Goldfinger, G. D. Jaycox, Z. Li, W. J.
Marshall and G. S. Blackman, J. Am. Chem. Soc., 127,
2406(2005).
23）A. M. van de Craats, J. M. Warman, A. Fechtenkötter, J. D.
Brand, M. A. Harbison and K. Müllen, Adv. Mater., 11, 1469
(1999).

5250 (2004).
38）I. McCulloch, M. Heeney, C. Bailey, K. Genevicius, I.
MacDonald, M. Shkunov, D. Sparrowe, S. Tierney, R. Wagner,
W. Zhan, M. L. Chabinye, R. J. Kline, M. D. McGehee and M.
F. Toney, Nature Mat.,5, 328 (2006).
39）H. Iino and J. Hanna, Jpn. J. Appl. Phys., 45, L867 (2006).
40）H. Maeda, M. Funahashi and J. Hanna, Mol. Cryst. Liq.
Cryst., 346, 183 (2000).
41）M. Funahashi, Polym. J., 41, 459 (2009).
42）S. Sergeyev, W. Pisula and Y. H. Geerts, Chem. Soc. Rev., 36,
1902 (2007).
43）S. Laschat, A. Baro, N. Steinke, F. Giesselmann, C. Hägele,
G. Scalia, R. Judele, E. Kapatsina, S. Sauer, A. Schreivogel
and M. Tosoni, Angew. Chem. Int. Ed., 46, 4832 (2007).
44）M. Funahashi, Polymer J., 41, 459 (2009).
45）W. Pisula, M. Zorn, J. Y. Chang, K. Müllen and R. Zentel,
Macromol.Rapid Commun., 30, 1179(2009).

24）M. Kastler, F. Laquai, K. Müllen and G. Wegner, Appl. Phys.
Lett., 89, 252103 (2006).
25）A.M. van de Craats, N. Stutzmann, O. Bunk, M.M. Nielsen,
M. Watson, K. Müllen, H.D. Chanzy, H. Sirringhaus and R.
H. Friend, Adv. Matter., 15, 495 (2003).
26）W. Pisula, A. Menon, M. Stepputat, I. Lieberwirth, U. Kolb,
A. Tracz, H. Sirringhaus, T. Pakula and K. Müllen, Adv.
Mater., 17, 684 (2005).
27）I. O. Shklyarevskiy, P. Jonkheijm, N. Stutzmann, D.
Wasserberg, H. J. Wondergem, P. C. M. Christianen, A. P. H.
J. Schenning, D. M. de Leeuw, Z. Tomovic, J. Wu, K. Müllen
and J. C. Maan, J. Am. Chem. Soc., 127, 16233 (2005).
28）H. Monobe, K. Kiyohara, N. Terasawa,M. Heya, K. Awazu
and Y. Shimizu, Adv. Funct. Mater., 13, 919(2003).
29）H. Iino, J. Hanna, R. J. Bushby, B. Movaghar, B. J. Whitaker,
M. J. Cook, Appl. Phys. Lett., 87, 132102 (2005).
30）A. M. van de Craats, J. M. Warman, H. Hasebe, R. Naito and
K. Ohta, J. Phys. Chem. B, 101, 9224 (1997).
31）L. Schmidt-Mende, A. Fechtenkötter, K. Müllen, E. Moons,
R. H. Friend and J. D. MacKenzie, Science, 293, 1119 (2001).
32）M.Ozaki, Y.Miyake, K.Okada, N.Yamasaki, T.Hori, A.Fujii
and Y.Shimizu, ICSM2010, Kyoto, Japan, July 9, 2010.
33）K. L. Woon, M. P. Aldred, P. Vlachos, G. H. Mehl, T. Stirner,
S. M. Kelly and M. O’Neil, Chem. Matter., 18, 2311 (2006).
34）L. –Y. Chen, T. –H. Ke, C. –C. Wu, T. –C. Chao, K. –T.
Wong, C. –C. Chang, Appl. Phys. Lett., 91, 163509 (2007).
35）B. H. Hamadani, D. J. Gundlach, I. McCulloch, M. Heeney,
Appl. Phys. Lett., 91, 243512 (2007).
36）Y. Wu, P. Liu, B. S. Ong, T. Srikumar, N. Zhao, G. Botton, S.
Zhu, Appl. Phys. Lett.,, 86, 142102 (2005).
37）M. Heeney, C. Bailey, M. Giles, M. Shkunov, D. Sparrowe, S.
Tierney, W. Zhang and I. McCulloch, Macromolecules, 37,

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

13

細菌学の特別講義（1）Special lecture of bacteriology (1)北里大学 大学院感染制御科学府 細菌感染制御学研究室 教授

阿部章夫

AKIO ABE Ph.D
Laboratory of Bacterial Infection, Graduate School of Infection Control Sciences, Kitasato University

1．プロローグに、
プロモーターと呼ばれるRNAポリメラーゼの結合領域に改良を加えたり、mRNAの安定性を保つような工夫

1980年代半ばの学生の大半がそうであったように、就がなされている。私は、mRNAの安定性に影響を及ぼす

職は活動して内定を得るものではなく、所属研究室の指3’末端生成の仕組みについて、興味を持つようになった。

導教官の推薦に依存しているところが大きかった。学生

高等真核生物や酵母では、長い前駆体RNAが合成され時代に所属していた研究室の指導教官は大村智先生

たあとに3’
末端側の特異的な部位で切断され、切断部で、当時、北里研究所の副所長を兼任されていた。私位にポリAが付加されることでmRNAの3’末端が生成さは、大村先生の推薦で北里研究所を受けることになっれる。私は、酵母において前駆体RNAの切断とその後にた。面接試験の会場で理事から、「現在、興味のあるこ

起きるポリA付加に必要な配列は26塩基内に存在することは何ですか」との質問があり、研究のことについて一気とを見いだし、EMBO Journalという雑誌に投稿した 1）。

にまくしたてたが、彼が聞きたかったのは趣味とか時事問

これら一連の研究で博士号を取得したが、研究者人生が題とかそういった事項についてであった。それでも何とか順風満帆であったのなら、本稿「細菌学の特別講義」
はな

面接試験にパスして、日本の細菌学発祥の地、北里研究かったと思う。

所で修士卒の研究者として働くことになった。

14

少々前書きが長くなったが、ここ十数年の間に細菌学

北里研究所はワクチンも製造しており、最初に与えられにおけるパラダイムシフトが起きたことは、事実である。パ

たテーマは、酵母を宿主とする発現ベクターの開発であっラダイムシフトの中心にあったのは、Ⅲ型分泌装置とそれた。 細胞内で自己複製が可能な環状のDNAは、
プラス

によって宿主に移行するエフェクターの発見である 2）。このミドと呼ばれており、そのなかでも外来タンパク質の産生

特殊な分泌装置の発見は、研究領域にも大きな影響をに特化したものは発現ベクターと定義されている。私の研与えながら病原因子論の根幹を塗りかえていった。赤痢

究テーマをもう少し詳しく説明すると、酵母内でB型肝炎菌やサルモネラの宿主細胞への侵入機構は長らく不明

ウイルスの表面抗原の産生を可能とする発現ベクターの開であったが、ここ十数年のエフェクター研究の進展により発であった。当時、B型肝炎ワクチンの製造は、肝炎に解明された3）。私の研究もこのようなパラダイムシフトの波

感染した患者血漿からウイルスの表面抗原を精製して製にのまれながら、なんとか波間を漂っているのが現状で造していた。大量調製が困難であることと、バイオハザーある。これから解説していく「細菌学の特別講義」では、ドの問題から、多くの企業が肝炎ワクチン製造の新たな細菌学の歴史について論ずるつもりはない。ここ十数年

基盤技術の確立にしのぎを削っていた。酵母は高等真の間に起きた病原因子論の大きな移り変わりのなかで、核細胞と多くの点で共通しており、宿主細胞内で修飾を細菌学者は何を掴むことができたのかを、いくつかの連受けるウイルス表面抗原などの大量精製に適していた。

載にわけて紡いでいきたいと思う。たまたま私は、細菌

発現ベクターは外来遺伝子を効率よく発現させるため学のパラダイムシフトがおきる直前にこの領域に足を踏み

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

細菌学の特別講義（1）入れ、留学時代には分子細胞生物学的な手法で感染現のメカニズムを解析しようというのが当時の私の考えであっ象を解明していくアプローチの重要性を痛感した。極めた。真核生物では一本のmRNAにコードされる遺伝子て個人的な視点から細菌学の領域で何が起きたのかを、は一般的に一つであるが、細菌では一本のmRNAに複

少し時間を遡って時系列的に述べていきたいと思う。

数の遺伝子が連座している場合が多く、ポリシストロニッ
クなRNAを構成している（図１）。

2．1980 年代後半：研究のスタート地点でつまずく
酵母におけるmRNA 3’末端生成の機構に関する論文でなんとか学位を取得し1）、また、酵母の発現ベクターについては特許取得までこぎ着け、まさにこれから研究が開花
しようとする時期であった。しかしながら、真核細胞における転写制御の研究で、これから独立してやっていけるのかという不安も隠しきれなかった。当時、オランダのハーグで酵母の国際学会が開催され、これまでの研究内容をプレゼンする機会に恵まれた。私にとって初めての国際学会であり、会場で著名な研究者と出会うことができて、何も

図１ 真核生物と原核生物におけるmRNA構造の違い
真核生物のmRNAは5’末端にキャップ構造を形成し、3’末端には50-200塩
基のアデニン(A)ヌクレオチドが付加されたpoly-A tailを形成する。また、
mRNA上のタンパク質翻訳領域はopen reading frame (ORF）と呼ばれ、開始コドンから終始コドンまでの連続したコドンで１つのタンパク質をコードしている。真核生物のmRNAの多くは1つのORFで構成されるが(モノシストロン性のmRNA)、原核生物のmRNAは2つ以上のORFをコードしている場合が多い(ポリシストロン性のmRNA)。原核生物はキャップ構造をもたないが、30塩基ほどの短いpoly-A tailをもつことが明らかになっている。

かも新鮮であった。
そのなかでも私は、強烈なオーラを放っていたKevin
Struhl博士（現Harvard Medical Schoolの教授で、今なおまた、細菌のmRNAは酵母のそれに比べて非常に不転写制御の領域を牽引している）のプレゼンテーションで安定であり、RNA研究は時間との勝負であった。 このよ

雷に打たれたようなショックを受け、そのときかなりはっきりとうな違いから解析に手間取ったが、細菌学会の関東支「私はこの領域で生き残れない」と確信した。彼のように転部総会でプラスミド上に存在するSpvRと呼ばれる正の調写制御の研究を自分なりの視点で切り開いていくことがで

節因子について発表する機会を得た。しかしながら、私

きるのか自問自答し、それは無理だと判断して、暗澹たるの研究内容はなかなか受け入れてもらえなかったのであ

気持ちで国際学会を後にしたことを覚えている。転写制

る。その学会ではSpvRが自身のプロモーター領域に作御研究が未来に繋がっていないのならば、日本の細菌学用し、自己の転写活性をあげるという作業仮説を提唱しの源流である北里研究所で、細菌について一から学びなたが、最初に発表した時点ではSpvRの抑制機構についおすのも良いのではないかと思い、30歳を目の前にして研ては不明であった 4）。当然、 学会の重鎮から反論があ

究領域を大きく鞍替えした。細菌ならゲノムサイズも小さいり、「正の調節因子であるSpvRが自身のプロモーターにし何とかなるだろうという楽天的な気持ちだった。結局の作用したら、転写が止まらなくなる。だから君の研究は論ところ、競合が激しい転写制御の世界から逃れたかった

理的におかしい」というものであった。反応は予想できた

ことも大きな理由であったと思う。

が、いざ学会の重鎮にこのような発言をされると私の行っている研究が間違っているのではないかという空気が流

3．1990 年代初頭：転写制御における個人的限界から病原因子そのものへ

れ、新しく入った学会はひどく居心地が悪かった。そもそも論理的に考えて生命現象が理解できるのなら、研究と挫折感を抱きながら北里研究所の細菌研究室に入室いう領域はひどくつまらないものになっているであろう。

し、まっさらの状態で病原細菌の研究を開始することに転写はDNA上のプロモーターと呼ばれる領域に、RNAなった。当時の指導者は檀原宏文先生で、細菌を題材

ポリメラーゼが結合することで開始され、mRNAを合成しにした初めての研究テーマは、サルモネラのプラスミド性

ていく
（図２）
。プロモーター領域にはRNAポリメラーゼの病原遺伝子における転写制御の解析であった。酵母で他に、転写の活性化を促進、あるいは抑制するタンパク

行ってきた研究領域に近いところから細菌の病原性発揮

質が結合することで、タンパク質の合成を転写レベルで調THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

15

えば、
ヒトに感染する病原細菌の多くは、ヒト体温に近い
それ以下でもそれ以上でも産37度で病原因子を産生し、生しない。一方、ウサギに感染するある種の病原細菌は、ウサギの体温に近い40度付近で病原因子を産生し、ヒトの体温付近ではまったく産生しない。
このように病原因子発現の温度域は、細菌の宿主特異性を解く一つの答えにもなっている。転写制御の研究
では、グローバルな病原因子の振る舞いを学ぶことができたが、感染の最前線にある現象を具体的に理解した
図２ 原核生物(真正細菌)の転写・翻訳機構
真正細菌の転写・翻訳機構は、大腸菌で詳細に解析されている。転写の開始部位はORF上流に位置するプロモーターによって決定され、-35ボックス(転写開始点より35塩基対上流)と-10ボックス(転写開始点より10塩基対上流)から構成される。これらのプロモーター配列をRNAポリメラーゼが認識することで、mRNAが合成される。転写開始点は+1と総称され、ORFの開始コドンよりも上流に位置している。RNAポリメラーゼはORF下流に存在するターミネーター領
域で転写が終結するが、この領域ではmRNAの塩基同士によるステム・ループと呼ばれる構造を形成することでmRNA-DNA-RNAポリメラーゼの3量体が壊れて、転写が終結する。転写されたmRNAには、開始コドン上流にシャイン・ダ
ルガノ(Shine-Dalgarno, SD)配列が存在している。この配列はmRNA上にリボ
ソームのエントリーを促進し、リボソームを開始コドンに配置することでタンパク質が合成される。

かった。すなわち、病原因子と相互作用する宿主側因子を同定することで、感染現象を宿主側因子を含めて明らかにしたかったのである。当時、日本においてもそのような研究は行われていたが、研究者層と言えるほどの発展を見せていなかった。それならば海外のトップレベルの研究機関に赴き、研究のノウハウを一から学んだほうが手っ取り早いのではないかと思い留学を決意した。
そこで、病原因子と宿主側因子の相互作用解析を精力的にこなしていた2人の研究者に的を絞って留学計画を立節している。論理的に破綻しているようにも見えるSpvRてた。一人はJorge Galán博士（現Yale大学教授）
で、もう一の転写はどのように調節されているのであろうか？ SpvR

人はBrett Finlay博士であった。両博士は、今では細菌学

は下流に 存在しているポリシストロニックな spvABCDの権威となっており、私の研究者評価は間違っていなかっRNA（spvA, spvB, spvC, spvD 遺伝子が一つのmRNA上たことになる。妻も一緒に連れて行くことを考え、最終的ににコードされている）の転写を正に調節している。実は最は治安の良いカナダを選択し、ブリティッシュ・コロンビア大上流に位置するSpvAは負の調節因子であり、正の調節

学のFinlay博士のラボに焦点を絞った。Finlay博士はス因子であるSpvRはSpvAによって負のフィードバックを受

タンフォード大学のStanley Falkow博士のもとで学位を取けることで、過剰な転写が進行しないように調節されてい得後、生まれ故郷のカナダに戻り、バンクーバーに研究拠たのである 。こうしてSpvR制御における謎は自分自身点を構えたばかりであった。彼は私より2つ年上で、引退で解くことができたが、転写調節の研究をいくらやっても間際の大御所のお世話になるよりは、身近なメンターであ感染現象には辿り着けないのではという思いが、次第にり続けるような人物のほうが自分にとってふさわしいと考え強くなっていった。今でこそトランスクリプトーム解析が花た。北里研究所の先輩からは「指導者としては若すぎる」

盛りで、細菌の病原性解析に大きく貢献しているが、当時という批判を頂いていたが、自分の直感を信じることにしの私は放射性物質で標識されたプローブを使用してのた。そこでFinlay博士に手紙を送り（当時、E-mailは限ら

mRNA解析に辟易していたのである。ラジオアイソトープれた機関でしか稼働していなかった）、
じっと待つことに施設のなかにいたのでは、細菌の病原性解析にせまれした。ようやくFinlay博士から返事があって、米国微生物ない。そこから出て行く必要があると思うようになった。

学会で会おうという短い内容が添えられていた。微生物

5）学会で彼からインタビューを受けるものだと思い、緊張の4．1995 年-1999 年：カナダ留学

連続で学会開催地であるラスベガスに乗り込んだが、力強く握手された後にOKと言われ、数十秒ぐらいで彼は

16

転写制御の研究で学んだことは、病原細菌は常に病立ち去ってしまった。私は上原記念生命科学財団のフェ原因子を産生しているのではなく、ある決められたタイミン

ローシップを獲得していたこともあり、彼としては私の能力

グで、複数の病原因子を同調して産生することである。例が今ひとつでも失うものはあまりなかったのであろう。彼

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

細菌学の特別講義（1）の唐突な感じは私を不安にさせたが、もうカナダに行くしう楽観的な気持ちからカナダ留学はスタートした。日本でかないと勝手に決め込んでいた。1995年4月16日に妻との血清型O157 EHECによる大規模な食中毒が起きたの

私はバンクーバー国際空港に降り立ち、そこでタクシーをは、それから1年後のことであった。

捕まえて、ブリティッシュ・コロンビア大学のドミトリーに一時

細菌学の特別講義（2）へ続く的に身を寄せた。それから1999年3月19日までの約4年間をカナダで過ごすことになった。

5．転写制御から in vivo の研究へ日本で行っていたサルモネラの研究を発展させるべく、
Finlay博士のもとで研究生活がスタートしようとしていた。
少なくとも当初の予定ではそうであった。しかしながら、数人のポスドクが既にサルモネラ研究を行っており、サル
モネラよりも腸 管 病 原 性 大 腸 菌（enteropathogenic

Escherichia coli、 以下EPECと略す）の研究を行って欲しいと、Finlay博士から提案があった。EPECは腸管出血性大腸菌（enterohemorrhagic E. coli、以下EHECと略す）と共通したメカニズムで下痢を発症する。EHECは約10菌数で経口感染するので、多くの研究者は病原性の低いEPECを用いてEHECの下痢発症機構を解明しようとしていた。
現在ではEPEC，EHECともにIII型分泌装置によって宿

参考文献
1） A. Abe, Y. Hiraoka, and T. Fukasawa. Signal sequence forgeneration of mRNA 3' end in the Saccharomyces cerevisiae
GAL7 gene. EMBO J . 9:3691-7.(1990)
2） C. J. Hueck, Type III protein secretion systems in bacterial
pathogens of animals and plants. Microbiol Mol Biol Rev.
62:379-433.(1998)
3） A. P. Bhavsar, J. A. Guttman, and B. B. Finlay. Manipulation of
host-cell pathways by bacterial pathogens. Nature. 449:82734.(2007)
4） A. Abe, H. Matsui, H. Danbara, K. Tanaka, H. Takahashi, and
K. Kawahara. Regulation of spvR gene expression of
Sa lmonella virulence plasmid pKDSC50 in Sa lmonellacholeraesuis serovar Choleraesuis. Mol Microbiol. 12:77987.(1994)
5） A. Abe, and K. Kawahara. Transcriptional regulation andpromoter sequence of the spvR gene of virulence plasmid
pKDSC50 in Salmonella choleraesuis serovar Choleraesuis.
FEMS Microbiol Lett. 129:225-30.(1995)
6） M. A. Croxen, and B. B. Finlay. Molecular mechanisms ofEscherichia coli pathogenicity. Nat Rev Microbiol . 8:2638.(2010)

主に移行するエフェクターの機能によって下痢を発症する
ことが明らかになっているが 6）、1995年当時、下痢発症機
構は謎に包まれていた。EPEC/EHECの下痢発症機構を研究するためには、in vivo 感染実験の確立が必須であるが、EPEC/EHECはマウスなどの齧歯類に下痢を惹起しないことが既に報告されていた。このような状況で、なんとか動物実験で下痢を起こすようなシステムを立ち上げて欲しいというのが彼の希望であった。それまで私は動物実験の経験がほとんどなく、また、このプロジェクトを開始したら相互作用解析の研究から遠のくことを意味していた。経験もなく無茶なプロジェクトであったと思う。それでも私は日本人としての美徳から、彼のオファーを断ることができずに「はい」と返事をしてしまった。彼は「はい、という意味は日本語でYesなのか？」と聞き返してきた。留学初日で、サルモネラ研究をより深く展開するという思い
は、EPECというまったく別な研究材料になってしまい、相互作用解析は in vivo 感染実験系の確立というテーマにすりかわってしまった。それでも、ある程度実績を出したら、自分の思った領域に研究を展開していけば良いとい

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

17

生体不安定鉄の生成と毒性の発現機構
Formation and Toxicity of Labile Plasma Iron
金沢医科大学総合医学研究所

客員教授

西田 雄三

YUZO NISHIDA
Visiting Professor of Kanazawa Medical University

1．慢性腎臓病（CKD）と生体不安定鉄がみられ、それに相応して多彩な神経症状・網膜変性・糖尿病を発症するようになる 7）。同様な鉄沈着は、鉄過剰

近年、慢性腎臓病（CKD）という新しい病気の概念が症患者にも多く見られる 2）。臓器に沈着しているのは、主指摘され、世界中で注目されている 1）。慢性腎臓病でとして水酸化鉄（Ⅲ）
であり、これは水には溶けないので、は、ステージ4の段階にはいると透析導入となる。透析治

これ自身は毒性を示すことはない。しかし、この水酸化鉄療は、週3回は必要であり、
しかも1回の透析に要する時（Ⅲ）
は、いろいろなアミノ酸・ペプチド化合物と反応して溶間は4時間にもなり、患者のクオリティ
・
オブ
・
ライフ
（QOL）
を

解し、
それが毒性を示す可能性が高い。

損なうとともに、労働の機会を損失させている。そのため、通常、血漿中の鉄イオンは、
トランスフェリンと結合していて

ステージ3の段階で治療を行い、透析導入、心血管疾患

毒性はない。しかし、トランスフェリンとは結合せずに、毒性を合併を防ぐことができれば、1.2兆円超と言われている日示す鉄イオンが体内に確実に存在すると推測される2-4）。

本の多大な透析医療費の削減につながる。

その生体不安定鉄の生成機構を明らかにし、その除去法

この慢性腎臓病の発症因子については、いろいろ想を早く確立することが「慢性腎臓病や各種生活習慣病の定されている。その中でも一番危険視されているのは、生予防・治療法」への近道となる。スキーム1に示したように、体内にある余剰鉄イオンであると考えられている。この余

フェリチンから出た2価の鉄イオンは、
セルロプラスミン（血中剰鉄イオンは、しばしば生体不安定鉄（labile plasmaの主なフェロオキシダーゼ）で酸化されトランスフェリンへ移行

iron）
ともNTBI（non-transferrin-bound iron）とも呼ばれてする。われわれは、
フェリチンから出てきた鉄イオンはペプチ

いる。慢性腎臓病や各種生活習慣病の予防・治療法

ドを含むキレートであると考えているが、現状ではこの時のとして、生体不安定鉄を除去する治療法が有望視されてキレート構造に関して何ら情報はない。この鉄
（Ⅱ）
キレート

いるが、
そのためには生体不安定鉄の実態を明らかにすがセルロプラスミンで酸化され、鉄（Ⅲ）
キレートとなって、トラる必要がある。

ンスフェリンにとり込まれるといわれているが、鉄
（Ⅲ）
イオンが

2-4）

トランスフェリンへ移行する過程も全く解っていない。
2．アポトランスフェリンと鉄キレートとの相互作用
われわれは、いくつかの鉄キレートによる腎毒性・ガン発生の発現機構を、
これまでに提起してきたが 5,6）、実際の生体不安定鉄の生成機構・構造に関しては、
いまでも解明されていない。生体不安定鉄は、
しばしばいろいろな臓
器の表面に沈着という形で現れる。例えば、無セルロプ
ラスミン血症患者の脳・肝臓・膵臓・心臓に鉄イオンの沈着

18

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

スキーム1

生体不安定鉄の生成と毒性の発現機構

そこでわれわれはまず、いろいろな鉄（Ⅲ）
キレートとア（Ⅲ）
イオンのポトランスフェリンとの相互作用を検討し、鉄取り込み過程を明らかにすることを目的に研究を始めた。鉄（Ⅲ）
イオンがアポトランスフェリンへ移行したかは、
ESRスペクトル法 8）に加えてキャピラリー電気泳動法（CE）も利用した 5）。後者の方法では、鉄イオンの取り込みとスキーム2

同時に、CEにおけるピークの強度の増大が観測される。これは、鉄イオンの取り込みに伴うタンパク質のコン

この事実と、多くの錯体に関する結果をもとにすると、フォーメーション変化に由来すると指摘している 。これ

二核錯体における2個の鉄（Ⅲ）
イオンが同時に相互作

アポトランスフェリンはらの手法を用いた結果から 5,6）、用できることが、アポトランスフェリンへの移行に必須な条鉄キレートをきちんと識別していることが明らかになっ件であることが 解った5,6）。二 核Fe（
2 hida）
2 や単 核Feた。たとえば、H（hida）
やH（HPTP）のキレート剤（表1）
3（edta）キレートに似た構造も持つ鉄キレートが（edta：表1）

は、鉄（Ⅲ）
イオンと反応して二核構造のキレート
（図1）
を形

は、
トランスフェリンには移行しないので、この種の鉄キレー成するが、後者の鉄キレートの鉄（Ⅲ）
イオンのみが、トラン

トは血漿中に存在できることが明らかになった。ただし、

9）スフェリンへ移行する

。

5,6）

これらの鉄キレートには毒性がない 8）。

表1 キレート剤の構造

3．タンパク質表面での金属キレートとの結合
スキーム2で、金属キレート中の金属イオンのタンパク質
表面での相互作用の重要性を示した。この相互作用とは金属イオンがタンパク質表面のアミノ酸残基の主として酸素原子と結合することを意味するが、実際にこれを確認しておく必要がある。われわれは、いろいろなタンパク質と金属錯体（バナドセンジクロライドなど）との反応をESR
スペクトルで調べた。バナドセンジクロライドは、
シクロペ
ンタジエニルアニオンを含むバナジウム（Ⅳ）
錯体である。
この錯体は、不対電子を1個持っているのでESRスペク
トルの測定対象になる。これと同じ構造をもつ、
チタノセン
ジクロライド（対応するチタン（Ⅳ）
錯体）
は、
アポトランスフェリンと反応して、
チタン（Ⅳ）
イオンがトランスフェリンに移動する。この特性を用いて鉄イオンが過剰になるのを食い止めてガン発生を防ごうとする制ガン剤としての可能性が注目されている化合物である 10）。
ウレアーゼにバナドセンジクロライドを加えた溶液のESR
図1 左：Fe（hida）（H
Cl4の結晶構造 6）222O）2の結晶構造と、右：Fe（HPTP）
2

スペクトル（室温、水溶液）
では、16本のシグナルが観測できるが、この事実はバナジウム（Ⅳ）
イオンが、タンパク質表トの鉄イオンは、その立体的条件
二核Fe（hida）
2
2 キレー

面と結合していることを明らかに示している11）。同じ実験をのため、2個の鉄イオンが同時にタンパク質表面とは相互作

アポトランスフェリンで行うと、最初16本のESRシグナルが観用できないが、Fe（HPTP）
Cl4 錯体では、水溶液中で4個211）測されるが、時間とともに8本になる（図2）。これは表面の塩化物イオンが解離するので、2個の鉄（Ⅲ）
イオンは同時に結合したバナジウム（Ⅳ）
イオンは酸化されて、ESRで検にタンパク質表面と結合できる点が異なる（スキーム2）。

出されなくなるが、トランスフェリンに取り込まれたバナジウム

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

19

（Ⅳ）
イオンは酸化されないので、8本のESR シグナルがずできる。しかし、この過程は生体内ではありえない。現

っと残ることになる。これらの事実から二核バナジウム

在、生体内での水酸化鉄（Ⅲ）の生成モデルとしては、次（Ⅳ）錯体を利用した制ガン剤の開発を行っている 11）。

の2例が知られている。
イミノ二酢酸のオキソ架橋二核鉄（Ⅲ）錯体 8）、Fe 2 O（ida）4 の水溶液を３５℃以上に温めると、水酸化鉄（Ⅲ）の（ida：表1）。通常鉄（Ⅲ）
イオンはキレート沈殿が生じてくるを生成すれば安定化すると思われがちであるが、そうではない。これは、この構造でのFe-O-Fe骨格の弱さが原因で錯体が壊れて沈殿になるのである14）。これに反して
Fe2O（ida）2 錯体は同じオキソ架橋二核錯体であるが、ずっと安定で、沈殿は生じない。ヘモジデリン（鉄過剰症患者に多く見られる）から水酸化鉄沈着が生じることは解っている15,16）。そのときの水酸化鉄沈着生成は、水溶性のFe2O（ida）4 錯体から水酸化鉄（Ⅲ）の沈殿が生成するのと同じ機構で進行している可能性が高い。同様に無セル
ロプラスミン血症患者の鉄沈着もこの機構で生じていると考えられる。
もうひとつの例は、亜鉛イオンの効果である。たとえば、

図2 アポトランスフェリンとバナドセンジクロライドとの混合溶液のESRスペ
クトル 11）（X-band、室温）（A）混合直後、（B）混合後60分（↓印の8本は消失し、＊印の8本はずっと残る。）

Fe2O（edda）2 のオキソ架橋二核錯体５）の溶液を通常の方法で調製する（edda：表1）。この溶液はそのままでは安定で、これにアミロイド（1-40）やアルブミンを加えてもなんの変化も見られない。これに塩化亜鉛の水溶液を加える

これをマンガン（Ⅲ）
キレートで行うと、興味深い。Mnと、タンパク質の沈殿ができると同時に水酸化鉄（Ⅲ）の（Ⅱ）
イオンを含む錯体で無色で（dpea）Cl2 錯体はマンガン沈殿が生じる17）。この沈殿生成の機構は今でも不明である（dpea：表1）。この水溶液は時間とともに徐々にマンガあるが、アミロイド斑には、鉄イオンと亜鉛イオンが多く含ま

ン（Ⅲ）キレートが酸化されて薄い褐色になるが、ESRシグ

れていることから１8）、アミロイド斑形成モデル反応としてもナルは観測できない。この溶液にアポトランスフェリンを加興味深い。

えるとESRスペクトルは一変し、オキソ架橋二核Mn（Ⅲ）/Mn（Ⅳ）錯体に特有な16本のシグナルが観測される。こ5．生体不安定鉄の形成とその除去法

れは、アポトランスフェリンとマンガン（Ⅲ）
イオンがアポトラン
スフェリン表面で相互作用・結合していることを示しておイミノ二酢酸のオキソ架橋二核鉄（Ⅲ）錯体 Fe2O
（ida）
2

り、
その結果マンガンイオンの酸化反応を経て、マンガンイ

は、高い腎毒性を示す4,5）。このタイプの錯体は、生体内オンがトランスフェリンに取り込まれていくのである12,13）。

では容易に形成される可能性がある。水酸化鉄（Ⅲ）
は、いろいろなアミノ酸・ペプチドと反応してキレートを生成

4．水酸化鉄(Ⅲ)沈着の形成機構

して溶解する。また、ヘモジデリンからも同様な鉄キレートが遊離する可能性が高い。このような鉄キレートは、血漿20

さきに無セルロプラスミン血症患者および鉄過剰症患

その多くはオキ中のｐH が 7.3 程度であることを考えれば、者のいろいろな臓器に水酸化鉄（Ⅲ）
イオンの沈着が観ソ架橋二核種 Fe-O-Fe（または、それ以上の多核種）として察されると述べたが、その過程を再現できるのであろう

存在すると考えられる。実際、オキソ架橋二核錯体 Fe2O

か。水酸化鉄（Ⅲ）の沈殿は、たとえば塩化第二鉄（Ⅲ）

（epy）
（epy）
Cl（黄色結晶）をメタノール2Cl2 は、単核錯体 Fe
3の水溶液に水酸化ナトリウム溶液を加えれば得ることが水溶液に溶かすだけで褐色の結晶として得られる１9）

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

生体不安定鉄の生成と毒性の発現機構（epy：表1）。

引用文献

そのままアポトラ
このようなオキソ架橋二核鉄（Ⅲ）種は、
ンスフェリンと反応して鉄イオンがトランスフェリンに移行す

1） 日本 慢 性 腎 臓 病 対 策 協 議 会 : CKDについて, http://jckdi.jp/ckd/index.html（2010/8/12）

る場合もあるが、この種の錯体が過酸化水素や還元系

2） 岡田茂、「鉄と人体の科学」悠飛社（2005）

5,6）酵素と反応すると、高い毒性を発揮することになる。こ

れが、生体不安定鉄による鉄毒性発現の本質であり、この種の鉄キレートの鉄イオンを定期的に除くことが必要になろう。
現在、
この生体不安定鉄を除去する治療法として、（1）3） B. Dresow, D. Peterson, R. Fischer & P. Nielsen, Biometals,
21, 273-276（2008）
4） D. Lane, J. R. & A. Lawen, J. Biol. Chem. 283, 12701-12708（2008）
5） Y. Nishida, Y. Ito & T. Satoh, Z. Naturforsch. 62C, 608-612（2007）

鉄制限食法、（3）
鉄キレート剤による薬物療
瀉血療法、
（2）

6） Y. Nishida, TCI Mail, 141, 2-15（2009）法、などがある。瀉血療法は、患者の QOL の改善にはよ

7） K. Yoshida, K. Kaneko, H. Miyajima,T. Tokuda,A. Nakamura,
M. Kato & S. Ikeda, J. Neurol. Sci. 175, 91-95（2000）

いが、貧血や低たんぱく血症などの副作用があり、貧血の無い患者に対してのみ適用可能である。鉄制限食法
は、栄養のアンバランスなどの副作用があり、一部の肝疾患のみ適用可能である。鉄キレート剤による薬物療法の効果は顕著であり、輸血後鉄過剰症の患者に対して主に利用されている。しかし、軽度の鉄過剰または鉄代謝異常による一部臓器での鉄関連障害では、オーバーキレートによる副作用の頻度が高いと言われている。ごく最近、海外で製造された経口投与できる除鉄剤が日本でも承認されて使用されているが、この除鉄剤の腎毒性も懸念されている 6）。
われわれは、これまでの除鉄用キレート剤を見直し、毒性がなく、かつ、生体不安定鉄のみを捕捉できる除鉄剤（1）ペプチドよりなるを開発した20）。この除鉄剤の特徴は、
鉄キレートの鉄（Ⅲ）
イオンを完全に捉えることができる、

8） R. Mizuno, T. Kawabata, Y. Sutoh, Y. Nishida & S. Okada,
Biometals, 19, 675-683（2006）
9） Y. Nishida, TCI Mail, 135, 2-11（2007）
10） A.D. Tinoco, E. V. Eames, & A. M. Valentine, J. Amer. Chem.
Soc.,130, 2262-2270（2008）11）Y. Nishida, A. Niinuma & K. Abe, Inor g. Chem.
Communications, 12, 198-200（2009）12）Y. Nishida, The Chemical Times, 208, 15-21（2008）13）K. Abe, Y. Chiba & Y. Nishida, Z. Naturforsch. 63c, 154-156（2008）
14）Y. Sutoh, Y. Okawamukai, S. Nishino & Y. Nishida, Z.
Naturforsch. 61c, 149-154（2006）15）P. M. Harrison, P. Arosio, Biochim. BIophys. Acta , 1275, 161（1996）
16）N. D. Chasteen, P. M. Harrison, J. Struc. Biology, 126, 182（1999）（2）
トランスフェリンの鉄イオンとは相互作用しない、（3）除17）Y. Okawamukai, Y. Sutoh & Y. Nishida, Synth. React. Inorg.
Metal-org. Nano-Metal Chem. 36, 373-375（2006）

鉄剤と鉄イオンで生成した鉄（Ⅲ）キレートには毒性がな

18）A. I. Bush, Trends Neuroscience, 26, 273-214（2003）

いこと、である。現在、更に無毒化を進めた新規除鉄用

19）S. Ito, T. Okuno, H. Itoh, S. Ohba, H. Matsushima, T. Tokii &Y. Nishida, Z. Naturforsch. 52b, 719-727（1997）

キレート剤の合成にも成功している。
アルツハイマー病・パーキンソン氏病・
プリオン病などへ

20）西田雄三、高後裕、佐々木勝則、生田克哉、特願2008243095（2008）の生体不安定鉄イオンの関与が指摘されていることもあ21）A. Gaest, R. C. Hider, Brit. J. Pharm. 146, 1041-1059（2005）

り6,9,18,21）、
今後、われわれが開発した高度に無毒化された新規生体不安定鉄除去剤が、慢性腎臓病などの各種
生活習慣病や神経性疾患の予防・治療に大きく貢献できると期待している。

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

21

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（31）マックス・プランク
Scientists and Engineers in German Stamps (31). Max Planck
筑波大学名誉教授

原田馨

KAORU HARADA
Professor Emeritus,University of Tsukuba.

マックス・プランク
マックス・プランク（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947）、
ドイツの理論物理学者。
プランクは、現代科学の最大の成果の一つとされる量子論の創始者である。ドイツ北部のキール（Kiel）に生まれ、父は法学教授であった。９歳の時、一家は南ドイツのミュンヘンに移る。ミュンヘン大学に入学するが、ベルリン大学に移り、物理学をキルヒホッフ、ヘルムホルツに学び、その天賦を発揮する。ミュ
ンヘン大学助教授、キ−ル大学教授、ベルリン大学助教授を経て、31才でベルリン大学教授となる。1900年に量子物理学の概念を提出し、19世紀末から始まった新しい物理学の勃興に大きな役割を果した。1918年に量子論による物理学進歩へのミュンヘンのドイツ博物館に展示されているプランクの胸像。

貢献によりノーベル物理学賞を受賞。1930年から1937年の間、カイザー・ヴィルヘルム研究所総裁となり黄金時代のベルリンで活躍した。しかし、ナチス政権下で協力を拒否し続けた
ために、個人的には極めて不遇であった。第一次大戦で長男
カルルを亡くし、次男のエルヴィンはヒトラー暗殺計画に加わったため処刑された。またベルリン郊外にあったプランクの住居はベルリン大空襲で焼失し、80歳を超えたプランクには過酷な日々であった。
プランクの初期の研究は、キルヒホッフの影響もあって熱力学に関するものであった。それと同時に熱放射に興味を持ち、黒体から放射されるエネルギー（黒体放射）
に関する理論的研究を行い、物質を構成する振動子から放出されるエネルギーの値が連続的な値をとらず、ある値の整数倍の値（量子）をとるという新しい法則（プランクの法則）を明らかにした。
ε＝hν
（ε：量子エネルギー、h：プランクの定数、
ν：振動数）

22

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（31）マックス・プランク

この19世紀末の発見が量子力学へと発展し、また20世紀の新しい物理学となり、物理学は原子核、素粒子物理学へと発展した。プランクはアインシュタインの特殊相対性理論の研究を早くから高く評価し、ベルリン大学への招聘に尽力した。ベルリンで二人の碩学は理論物理学と音楽（プランクは若い頃ピアニストを志した）により親交を深めた。
カイザー・ヴィルヘルム研究所は戦後プランクの業績を記念してマックス・プランク研究所と改名され、ドイツにおける科
学研究の中心的機関となった。生誕の地キールにあるマックス・プランク研究所の施設の中庭にはプランクの立像が建っている。
晩年はゲッチンゲンで過ごし、89
年の生涯を終えた。ゲッチンゲン
市営墓地にあるプランクの墓石には上部に MAX PLANCK とのみ刻まれている。しかし花を植えた鉢のある地面近くの部分にプランクの定数の値（ｈ = 6.62･10-34 W･s2）
がさりげなく刻まれている。これは大科学者でなくてはできないことで古い物理学研究所の入口上部には、ギリ
シア神話のアポロの頭像が飾られている。

ある。
※本稿に掲載の写真は、著者の撮影によるものである。

ベルリン、ダーレムの二十世紀初めに建てられた古 い 物 理 学 研 究 所 の入 口 上 部 の 壁に、マックス・プランク研究所と新しい名称も刻まれている。

ウンター・デン・リンデン大通りのフンボルト大学本部の壁に掲げられているプランクの記念板。

生誕の地キ−ルにあるマックス・プランク研究所中
庭のプランクの立像。

ゲッチンゲン市営墓地にあるプランクの墓。

THE CHEMICAL TIMES 2010 No.4（通巻218号）

23

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（31）マックス・プランク

マックス・プランク生誕 100 年記念切手（肖像）、1958 年、DDR 発行。

マックス・プランク生誕100年記念切手（プ
ランクの定数）、1958年、DDR発行。

1952〜53年にベルリンで発行された偉人切手10種の中の一枚。

マックス・プランク研究所設立50周年記念切手。1998年、ドイツ発行。

編

表紙写真
キヌガサソウ（衣笠草）
ユリ科 ツクバネソウ属
本州中部以北の亜高山帯周辺に見られるキヌガサソウの名前の由来は、その径が70cm程にもなり、驚くほど大きく放射状に拡げた葉の様子を、
古の時代、高貴な人にさしかけた絹の長柄の傘、衣笠に見立ててこの名前が付けられたそうです。これは2010年夏、北アルプス鏡平付近
での撮影ですが、他の多くの高山植物類と比べ、
とにかく
大きく、
このように10株程の群落でも周囲を圧倒する豪華さです。花のあと緑の液果が一つ実りやがてこれが黒紫に変わり甘くなるそうですが、時期になったらその甘味を感じてみたいものです。
(写真・文 北原音作)

集

毎年10月17日から10月23日までの1週間は、医薬品と薬剤師の役割に関する正しい認識を広く浸透させ、保健衛生の維持向上をはかるにための「薬と健康の週間」とされています。
お薬の神様を祭る東京・
日本橋本町の薬祖神社の祭礼の開催日に当たることから10月17日が、「薬と健康の週間」の初日とされています。なお、
今年は17日が日曜日にあたるため薬祖神祭は、金曜日の15日が祭礼の日とされています。

C K

後

記

本誌では、鵜飼先生の「フラットパネルディ
プレイ概論
（2）
」、清水先生の「強い自己組
織化性を持つ有機半導体としての液晶性半導体」、阿部先生の「細菌学の特別講義（1）」、西田先生の「生体不安定鉄の生成と毒性の発現機構」
ならびに原田先生の「切
手
（31）
マックス
・
プランク」
を掲載させていただ
きました。
記録的な酷暑を乗り越え、読書の秋も深まっています、本誌をご愛読いただければ幸です。

〒103-0023 東京都中央区日本橋本町3丁目2番8号
電話（03）3279−1751 FAX（03）3279−5560
インターネットホームページ http://www.kanto.co.jp
編集責任者 原田 義美
平成22年10月1日 発行「無断転載および複製を禁じます。」