ラベルフリー超解像顕微鏡の開発
ナノスケールの生命現象をありのままに観察する
馬越 貴之

大阪大学大学院工学研究科 助教

UMAKOSHI Takayuki

近年、超解像蛍光顕微鏡の登場により、ナノスケールの世界の生命現象が化学的に観察可能になってきましたが、観察できるのはあくまで蛍光標識に限られています。また、物理学的アプローチに基づき電子集団量子状態を利用した
図1 世界に先駆け高速化に成功したプロトタイプ高速近接場顕微鏡

超解像度顕微法は、撮像速度が遅いため生命科学分野では活用できていません。ナノの世界での生命現象をありのまま見ることは未だ実現されていないのです。
私は最近、世界に先駆け、光学顕微鏡における重要な計測機構の100倍以上の高速化に成功しました（図1）。この成果も生かし、量子的閉じ込め効果で生成する光を局在化させる技術を用いて、生命体をありのまま見るための鍵と

図2 開発を目指すラベルフリー
超解像顕微鏡の概念図

なる蛍光標識の不要な（ラベルフリー）超解像顕微鏡の開発（図2）に挑戦しています。成功すれば、生命科学を始め、様々な研究分野、関連する産業などを一変させるインパクトを生み出せます。

キーワード

応用分野

ラベルフリー超解像顕微鏡、ナ

超精密医療機器、超精密創ノスケール、ありのまま観察、光薬、新規計測・診断技術

局在化、量⼦閉じ込め効果［研究の先に⾒据えるビジョン］ ナノの世界の新発見の先導による新時代の開拓

17世紀後半にオランダで発明され、微⽣物や精⼦などを発⾒した単式顕微鏡を端緒とする光学顕微鏡は、その後の理論的・技術的改良を経て、様々な世紀の⼤発⾒を⽣み出し、⽣物学の新たな時代を切り拓いてきました。
私は、マイクロより上のスケールとは全く異世界が広がるナノスケールにおいて、⽣命体のダイナミックな状態が観察できる究極の顕微鏡・光計測装置を開発し、社会に実装、広く展開させたいと考えています。光学顕微鏡が歴史を先導してきたように、量⼦現象を⽤いてありのままのナノ世界を覗ける顕微鏡により次の時代を開拓し、⽣命科学に多くの⼤発⾒をもたらすことを目指します。
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「量子2.0」の医療への応用
室温超核偏極技術を用いた超高感度MRI／NMR根来 誠

大阪大学先導的学際研究機構 特任准教授

NEGORO Makoto

1. 初期化

物質中の原子核スピンの状態を揃え、その結果NMR/MRI
信号強度を1,000倍から10,000倍に上げることを、超核偏極技術と呼びます（図1）。そうなった物質は量子センサとして、生体内を測定するNMR/MRI薬剤となり医療診断に用いることができます（図2）。例えば、抗がん剤治療

図1 超核偏極技術（「DNP」とも呼ぶ）は原子核スピンの状態を揃えるにおいて、薬効の判定までの期間を投与翌日まで縮め、患者さんの負担を大幅に軽減できると期待されています。

2. デリバリー

3. センシング

超核偏極技術は、極低温を用いる方法では欧米が先行しています。しかし、超高感度のNMR/MRIを低コスト化し、世界中の実験室や病院に置けるようにするには室温化が必要です。「量子2.0」技術である室温超核偏極は我々が先鞭をつけ、各国の研究開発競争が始まったところです。超図2 超核偏極化した物質を生体に注射し、患部まで到達したところで測定する。患部に到達するまでの時間に超核偏極状態が壊れないよう、「量子符号化処理」を行い、患部でより高感度な状態に変換する

高感度なセンサとして、物質の微小な変化をとらえることができるので、創薬や化学の材料分析への応用も検討を進めています。

キーワード

応用分野

量子2.0：これまで制御や利活用が困難であった量子コヒー
レンスや量子もつれなど量子特有の性質を利用する技術

医療応用（NMR/MRI薬剤、MRI装置）、製薬（創薬スクリーニング）、化学（微量分析）［研究の先に見据えるビジョン］ 「量子2.0」技術センサの実現「量子2.0」技術によるセンサが生命現象の本質的理解を進め、新たな診断・治療法、予防法などが登場し、健康寿命の延伸実現と関連する新たな医療・ヘルスケア産業基盤をもたらします。
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量子コンピュータを用いた化学シミュレーション
量子化学に向けた量子古典混合アルゴリズムの開発
水上 渉

大阪大学先導的学際研究機構 特任准教授

MIZUKAMI Wataru

量子コンピュータはまもなくNISQマシン（数十から数百程度の量子ビット（qubit）からなるエラー訂正機能のないタイプ）として実用化が始まると言われています。
我々は、量子化学の分野において、1) 物性値算出や分子
図1 量子・古典混合アルゴリズム
は古典コンピュータと量子コンピュータがそれぞれの得意な部分を担うアプローチ

構造最適化に不可欠な解析的エネルギー微分を行う方法、
2)限られたqubit数を効率的に用いる方法を開発し、実用的量子化学計算を量子・古典ハイブリッドアルゴリズム(VQE、図1) で行える前段階にまで発展させてきました 。
現在、量子コンピュータの強みを圧倒的に生かすため、Dirac方程式（特殊相対論を考慮した波動方程式）と量子開放系を高効率に解くVQEの開発を進めています。古典の置き換えではなく古典が避けてきた領域への挑戦で、「複図2 量子コンピュータが得意な複素数波動関数が現れる領域をターゲットとするVQEを開発・実装し、量子加速を目指す素数波動関数が生じる量子化学問題に対する量子加速」という新しい可能性の実現が期待されます（図2）。

キーワード

応用分野

NISQ ： Noisy Intermediate
Scale Quantum Computing
VQE：Variational QuantumEigensolver

金属触媒の反応過程（窒素固定・二次電池・メタン活性化） 、 光機 能材 料(太 陽電池・有機EL・光合成）［研究の先に見据えるビジョン］ NISQマシンから始まる量子コンピュータの社会実装

自然界の窒素固定や光合成の人工的な模倣は、量子コンピュータが必要と考えられています。エネ
ルギー消費を飛躍的に抑え地球温暖化問題を解決するとともに、新たな産業の基盤を実現します。
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量子ビームで可視化する
金属酵素の触媒化学の全貌
溝端 栄一

大阪大学大学院工学研究科 講師

MIZOHATA Eiichi

生命科学の歴史上、生体高分子（タンパク質・核酸・酵素）が働く時に起こる立体構造変化の全貌を、原子レベルの解像度で捉えた事例は、未だ存在しません。これができれば、物質科学と生命科学と地球科学の分野がつながります。今、この野心的な課題に取り組んでいます。
具体的には、最先端の量子技術であるX線自由電子レーザー（XFEL）を応用した時分割連続フェムト秒結晶構造解析法（SFX）の開発を行っています。新手法を金属酵素の計測に適用し、触媒反応中に時々刻々と動く様子を、常温かつ放射線損傷のない状態で高精度に可視化した上で、酵素反応過程全体を完全解明することを目指しています（図1）。これが達成できれば、酵素化学における全く新しい研究・解析基盤が創出され、生命科学が新たなステージに進む革新的な知見を与えられると考えています。

図1 X線自由電子レー
ザ ー （ XFEL ） を 応 用 した時分割連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）技術の開発

キーワード

応用分野

量子ビーム、X線自由電子レー

地球環境保全、窒素循環のザー、時分割連続フェムト秒結解明・制御、土壌改良、創薬

晶構造解析、金属酵素イノベーション［研究の先に見据えるビジョン］ 窒素循環の解明・制御による地球環境保全

地球環境の保全の鍵は窒素循環にあります。窒素循環は微⽣物がもつ⾦属酵素群が担っており、⼟壌中の窒素含有量は農作物の収穫量に影響を与え、また、温室効果やオゾン層破壊能をもつ窒素酸化物の⽣成にも関与しています。私の研究は、将来、このような地球全体の窒素循環の解明や制御につながっていきます。
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