The 73rd Workshop of Ion-molecule Reaction InterestGroup, The Japanese Mass Spectrometry Society

Elements of Universe & Earth,
Molecular Evolutions,and Origin of Life
【By】
【When】【At】

Ion-molecule Reaction Interest Group,
The Japanese Mass Spectrometry Society

November 1, 2019(Fri)
13:10〜18:30（Opens 12:30）
S/PARK Hall（SHISEIDO Global Innovation Center)
1-2-11 Takashima, Nishi-ku, Yokohama-shi, 220-0011
https://goo.gl/maps/qDgZXXyxrxrZH2FT9【Language】【Registration】

Jp & En（Slides in English)【Admission】

Register by 10/18, 100 seats only

Free（for those eager to INSPIRE︕)

Program
13:15〜 Dr. Kosuke Fujishima (ELSI, Tokyo-Tech.) En

 Peptide selection using mineral surface and its application towards searchingfor extraterrestrial life

14:10〜 Dr. Kenji Hamase (Kyushu Univ.)

 Enantioselective analysis of amino acids and hydroxy acids in extraterrestrial
materials

16:05〜Break

16:15〜 Dr. Mayuko Nakagawa（ELSI, Tokyo-Tech.） Multidimensional isotopologue analysis for understanding origin andenvironment of molecules ~ High-resolution Isotope ratio mass spectroscopy
widen the view of isotopologue world~

17:10〜 Dr. Alexis Gilbert (School of Science, Tokyo-Tech.) En
 Isotopologues
applications

oforganic

molecules:concepts,measurements

and

17:50〜 Dr. Noriyuki Kawasaki (Hokkaido Univ.)

 Research on the origin and evolution of Solar System using secondary ion
mass spectrometry

18:45〜

Mixer（Payment required at cost）【Inquiry】

Use the form in the link, please (Akira Motoyama (Shiseido GIC), Takeshi Kasama (Former Prof, Tokyo
Medical&Dental Univ), Rika Miyake (Osaka Univ), and friends)

NASA Hubble Space Telescope Images

第73回 イオン反応研究部会 講演会

宇宙・地球の元素と分⼦進化
そして⽣命起源
【主催】
【⽇時】
【会場】

(⼀社)⽇本質量分析学会・イオン反応研究部会

2019年11⽉1⽇(⾦)
13:10〜18:30（開場12:30）
S/PARKホール（資⽣堂グローバルイノベーションセンター 3F）〒220-0011 神奈川県横浜市⻄区⾼島⼀丁⽬2番11号
https://goo.gl/maps/qDgZXXyxrxrZH2FT9

【⾔語】
【登録】

⽇本語または英語（スライドは英語）

 QRコード （10/18迄．先着100名）

無料（INSPIREする・される意欲のある⽅のみ）

【参加費】
プログラム
13:15〜

藤島 皓介 (東京⼯業⼤学 地球⽣命研究所） En

14:10〜濵瀬 健司 (九州⼤学 薬学研究院)

16:05〜

休憩

16:15〜

中川 ⿇悠⼦（東京⼯業⼤学 地球⽣命研究所）

17:10〜

Alexis Gilbert （東京⼯業⼤学 理学院） En

17:50〜

川﨑 教⾏ (北海道⼤学 ⼤学院理学研究院)

18:45〜

懇親会（実費精算となります）【問い合わせ】

実⾏委員会宛フォームをご利⽤下さい （敬称略）

 ペプチドの鉱物表⾯での選択及び⽣命探査への応⽤

 宇宙試料におけるキラルアミノ酸およびヒドロキシ酸の分析

 多次元アイソトポログ解析で分⼦の起源・環境を知る〜⾼分解能質量分析装置で広がるアイソトポログの世界〜 Isotopologues of organic molecules:
concepts, measurements and applications

 ⼆次イオン質量分析法を⽤いた太陽系の起源と進化の研究（本⼭ 晃(資⽣堂GIC)、笠間 健嗣(元東京医科⻭科⼤)、三宅 ⾥佳(⼤阪⼤)、他）
NASA Hubble Space Telescope Images

ペプチドの鉱物表面での選択及び生命探査への応用
Peptide selection using mineral surface and its application towards searching for extraterrestrial life
藤島皓介
Kosuke Fujishima
東京工業大学地球生命研究所, 東京都目黒区大岡山 2-12-1
Earth-Life Science Institute, Tokyo Institiute of Technology, Tokyo 152-8550 Japan
Abstract: Understanding how complex organiction/Ionization tandem Mass Spectrometry (MALDI-

molecules leading to biological system could have

MS/MS) to retrieve their mass distribution and se-

initially synthesized and selected through various envi-

quence information. Latest results on the FeS effect onronment, provides an important clue to construct plau-

peptide selection will be discussed.

sible hypothesis for the origins of life on Earth andOn the contrary, understanding the variety and thebeyond. This fundamental question became one of thedistribution of extraterrestrial building blocks of life ismajor topic of the interdisciplinary field coined as

equally important towards searching for life within our“Astrobiology” by NASA in 1995.

Solar System. Especially Saturn’s moon Enceladus has

To tackle the process leading to selectivity of bio-

been discovered to vent water and organic contain-

related molecules, I have been focusing on polypep-

ing plumes from the south polar region. It is likely

tide, a chain of amino acids known as an essential pol-that organic compounds including amino acids could

ymer to drive chemical reaction for biology. There

undergo water–rock induced chemical evolution near

have been reports on abiotic polymerization of amino

the hydrothermal sites in subsurface ocean. Indeed, we

acids in prebiotically relevant conditions, how specifichave previously shown that simulated Enceladus con-geochemical condition contributes to the selectivity ofdition can lead to synthesis of short dipeptides.

polymer sequence is not yet systematically character-

Therefore an Enceladus plume fly-through simulation experiment was performed by accelerating pep-ized.
We therefore prepared random octapeptide librarytides soaked in rock and salt particles up to a speed ~ 6with a combination of limited set of amino acids withkm/sec and capturing with silica aerogel. Direct pep-various side chain properties (Gly, Ala, Ser, His, Asp,tide extraction with acetonitrile-water followed by LC-Cys) as a probe to explore the adsorption and selectivi-TOF-MS and CE led to the detection of peptide peaks

ty of peptides against amorphous iron sulfide (FeS)that has survived the impact of capture, suggesting thesurface, a simulant of early Earth geochemical setting.

possibility of future sample return mission from the icy

FeS nanoparticles and random peptides were mixedmoon.

under moderate temperature/pH condition in aqueous
solution to allow adsorption. After multiple rinsing,remaining peptides on the FeS surface were analyzed
directly

byMatrix

Assisted

Laser

Desorp-宇宙試料におけるキラルアミノ酸およびヒドロキシ酸の分析（九大院薬）浜瀬 健司

Enantioselective analysis of amino acids and hydroxy acids
in extraterrestrial materials(Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Kyushu University)

1. はじめに
地球上に存在するアミノ酸やヒドロキシ酸などの有機化合物の多くは不斉炭素を有しており、構造として R 体、S 体（アミノ酸やヒドロキシ酸では D 体、L 体とも呼ばれる）の鏡像異性体が存在する。一般的な化学合成においては両鏡像異性体が等量で生成するが、ヒトを含む地球上の生命体内では片方の異性体のみが多量に存在するのが一般的である。例えば生体内のアミノ酸は大部分が L 体である。この状態は「ホモキラリティ」と呼ばれ、このホモキラリティの由来、また生命の起源化合物であるアミノ酸などの有機化合物の由来解明を目的として、様々な宇宙試料の分析が期待されている。しかし宇宙試料は微量しか採取出来ないことに加え、試料中には多種多様な有機化合物が存在する。従って宇宙試料中におけるアミノ酸、ヒドロキシ酸分析には高感度かつ高選択的な分析法の開発・利用が不可欠である。そこで本研究では、逆相カラムと光学分割カラムを連結した二次元 HPLC 分析法、更に陰イオン交換カラムを連結した三次元 HPLC分析法を開発し、南極隕石を含む様々な宇宙試料の分析を行った。
2. 実験
宇宙試料は塩酸水溶液を用いて 105ºC で 20 時間加水分解を行い、凍結乾燥した。残渣に水を加えて再溶解した後、ホウ酸塩緩衝液（pH 8.0）および 4-Fluoro-7-nitro-2,1,3benzoxadiazole アセトニトリル溶液を加えて 60ºC で 2 分間加熱した。トリフルオロ酢酸水溶液を加えて反応を停止した後、二次元または三次元 HPLC により分析した。ヒドロキシ酸は 4-Nitro-7-piperazino-2,1,3-benzoxadiazole (NBD-PZ)により誘導体化を行った。
NBD-アミノ酸およびヒドロキシ酸の検出は、励起波長 470 nm における 530 nm の蛍光発光により行った。
3. 結果・考察
アミノ酸は炭素数 5 までの異性体を、ヒドロキシ酸は乳酸、3-ヒドロキシ酪酸を対象とし、分析法の構築を行った。二次元 HPLC 法は一次元目に逆相分離カラム、二次元目に光学分割カラムを利用し、三次元 HPLC 法は一次元目に逆相分離カラム、二次元目に陰イオン交換カラム、三次元目に光学分割カラムを利用した。三次元 HPLC で用いたカラムは一次元目が微粒子充填型の C18 カラム（KSAARP, 1.0 x 250 mm）であり、分析対象アミノ酸を D 体と L 体の混合物としてマルチループユニットに分取し、オンラインで二次元目に導入した。更にアミノプロピル基を有する陰イオン交換カラム（KSAAAX,1.5 x 150 mm）により対象アミノ酸を再度 D 体と L 体の混合物として分取し、三次元目にオンライン導入した。三次元目では L-ロイシン誘導体をキラルセレクターとする光学分割カラム（KSAACSP-001S, 1.5 x 500 mm）を用いて D 体と L 体を分離し、個別定量を行った。本三次元 HPLC システムは三種の異なる固定相を用いることで極めて高い選択性を有しており、複雑な宇宙有機物中において対象アミノ酸を良好に定量可能であった。
本法を用いて各種隕石試料を分析した結果、非タンパク質構成アミノ酸である 2-アミノ酪酸、ノルバリン、イソバリンなどが認められ、それらの鏡像異性体比はほぼ 50/50 であった。ヒドロキシ酸についても乳酸、3-ヒドロキシ酪酸の双方が認められ、特に 3-ヒドロキシ酪酸の鏡像異性体比はほぼ 50/50 であった。現在、更に分析対象を拡大すると共に、様々な宇宙試料の分析を実施している。

多次元アイソトポログ解析で分⼦の起源・環境を知る〜⾼分解能質量分析装置で広がるアイソトポログの世界〜
Multidimensional isotopologue analysis for understanding origin andenvironment of molecules~ High-resolution Isotope ratio mass spectroscopy widen the view ofisotopologue world~

地球や⽣命の起源・進化について、地球化学分野では環境物質の起源や⽣成・消滅反応場を化学的特徴やその変化を解析することで進められてきた。特に⽣体の主要構成元素である炭素・窒素・酸素・⽔素・硫⻩などの軽元素の安定同位体組成は、⽣命活動に関わる分⼦が⽣物圏、地圏、⼤気圏間でどのように循環しているか把握するために利⽤される重要な化学的指標である。
近年、同位体を含む分⼦種 (isotopologue; アイソトポログ)を多次元的に解析するための⼿法開発が進んでいる。多次元的な解析とは、物質全体・分⼦種毎の安定同位体⽐だけでなく、分⼦内の位置毎の安定同位体⽐（Position Specific
Isotope Analysis）や、マイナーな同位体を複数含むアイソトポログ (Clumped
Isotope Analysis)などの情報を加えることにより、物質の起源や⽣成・消滅反応場を構成する多くの変数へ制約を与えることである。これらの新しいアイソトポログ分析を⾏うための装置の⼀つとして、2010 年代から利⽤されてきている
⾼分解能同位体質量分析装置 (HR-IRMS)があり、⾃由度が⾼く、多様な分⼦種のアイソトポログ分析が可能である。
本発表では、2017 年に地球⽣命研究所へ導⼊された HR-IRMS について、現在チームで進めている複数の分⼦種及びその応⽤可能性について、装置の特性とともに紹介する。

Isotopologues of organic molecules: concepts, measurements and applications
Alexis Gilbert （東京工業大学理学院 助教）

Stable isotopes of light elements (13C, 2H, 15N, …) are useful to trace the origin and fate oforganic molecules in natural environments [1]. The measurement of isotope ratios in organic
molecules is conventionally made by isotope ratio mass spectrometry (IRMS) after the molecule
is converted to a simple gas: CO2 for 13C/12C analysis, N2 for 15N/14N analysis, H2 for D/Hanalysis, etc.
Organic molecules are made of isotopologues, namely molecules with different number of heavy
isotope in their structure (e.g. 13CH4 and 13CH3D are two methane isotopologues). In
principle, analyzing not only isotope ratios but also isotopologue ratios provide invaluable
information on the origin of the molecule [2].
The conversion of organic molecules to simple gases, while necessary for isotope
ratio determination, precludes any isotopologue ratio analysis. New methods must thus be
developed in order to separate and quantify with sufficient precision the relative ratio of
isotopologue in organic molecules.
In the past decade, there has been growing interest for the development of techniques allowing
isotopologue ratio determination. These include new sequences in nuclear magnetic resonance[3], new mass spectrometers [4] and modified isotope ratio mass spectrometers [5].
In this talk, after introducing the concept and measurement techniques for isotopologue ratio
analysis, I will give few examples of recent applications including (i) food authentication [6] (ii)determination of temperature formation of methane [7] (iii) detection of bacterial
propane oxidation in natural gas reservoirs [8].

[1] Hayes 2001 “Fractionation of carbon and hydrogen isotopes in biosynthetic processes”[2] Eiler 2013 Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 41, 411[3] Jezequel et al. 2017 Magn. Res. Chem., 55, 77[4] Eiler et al., 2013 Int. J. Mass Spec. 335, 45[5] Gilbert et al. 2016 GCA 177, 205[6] Gilbert et al. 2011 Plant Cell Environ. 34, 1104
[7] Stolper et al. 2014 Science 344, 1500
[8] Gilbert et al. 2019 PNAS 116, 6653

⼆次イオン質量分析法を⽤いた太陽系の起源と進化の研究
Research on the origin and evolution of Solar System using secondary ion mass spectrometry
川﨑 教⾏（北海道⼤学 ⼤学院理学研究院）
地球に⾶来する隕⽯の多くは，⼩惑星に起源をもつことが知られている。未分化の⼩惑星は，初期太陽系で形成して以来，融けてしまうことのなかった天体である。そのため，未分化の⼩惑星から⾶来した，コンドライト隕⽯は，初期太陽系で形成した物質の集合体であり，その構成物から当時の情報を紐解くことができる。地球に落ちてくる隕⽯のみならず，宇宙航空研究開発機構の⼩惑星探査機「はやぶさ」などの，サンプルリターン探査により持ち帰られた地球外物質もまた，太陽系の進化履歴を保存する貴重な試料である。隕⽯および地球外物質については，さまざまな分析⼿法を⽤いた研究が⾏われているが，われわれのグループでは主に，⼆次イオン質量分析法を⽤いた，微⼩領域の局所同位体分析により，太陽系の起源と進化を研究している。本講演では，いくつかの研究例を紹介するが，要旨にはその⼀例を⽰す。
コンドライト隕⽯に含まれる，Ca と Al に富む難揮発性包有物「CAI（Ca-Al-richInclusion」と呼ばれる物質は，初期太陽系星雲において 1800 から 1400 K 程度の⾼温のガスから凝縮したダスト，もしくはそれらを材料とした岩⽯である。岩⽯をまるごとバルクで測定に使⽤した鉛−鉛絶対年代測定の成果により，CAI は，約 45.67 億年前に形成した，太陽系最古の物質であることがわかっている。そのため CAI は，太陽系物質進化における，年代の基準点としても利⽤されている。CAI を形成プロセスの観点で分類すると，⾼温のガスから凝縮したダストが，太陽系円盤内で再加熱され溶融・再固化したものと，再加熱による溶融を免れた結果，凝縮したままの状態を保持したものとに⼤別される。そのうち後者は，初期太陽系の⾼温のガスから直接凝縮した鉱物の集合体であるため，その形成年代を精密に測定することにより，⾼温のガスからの固体凝縮プロセスが起きていた年代を，直接求めることが可能である。しかし，そのような⾼温のガスから凝縮した鉱物は，そのほとんどが，約 10 マイクロメーター未満というきわめて微⼩な粒径をもつため，従来は年代の測定が困難であった。われわれは最近，北海道⼤学の同位体顕微鏡（⼆次イオン質量分析計 CAMECA
ims-1280HR）を⽤いた，微⼩鉱物の局所アルミニウム−マグネシウム同位体測定により，その形成年代の⾼精度測定（誤差数万年）に成功した。それにより，初期太陽系における⾼温のガスからの固体凝縮プロセスが，太陽系誕⽣時から少なくとも約 40 万年間続いていたことが，初めて明らかとなった。従来 CAI などの⾼温形成物質の凝縮⽣成プロセスは，バルク放射性同位体年代測定の結果などから，太陽系最初期の約 2 万年以内に完了していたと信じられていたが，本研究結果は，それを完全に覆すものである。