特集：ナノ・バイオ融合 1

ナノ・バイオ融合研究が実現する

Q：プロジェクトが立ち上がった背景

未来型 ICT 基盤技術を教えてください。

ナノ・バイオ融合が見据える未来

田中：近年のICT技術の急激な発達の

未来 ICT 研究所では、ナノ ICT とバイオ ICT の分野融やそれに起因するエネルギー問題、災合によるプロジェクトを推進しています。２つの領域を融合することによってどのような新しい研究を生み出そうとしているのか。ナノ ICT 研究室の田中研究マネージャーにうかがいました。

おかげで私たちは利便性の高い便利な生活を得られるようになってきましたが、その一方で、通信の情報量の増大害時における対応など多くの課題も指摘されています。このような問題は今後いろいろな局面で顕在化することが予測されます。その根本的な解決には既存の技術の延長ではなく、新たな発想やコンセプトに基づくいわゆるパラダイムシフトが必要であると考えています。そのひとつの方向性がナノとバイオの分野融合です。
例えば、有限の温度の下ではすべての事象が温度スケールと同程度のばらつき（熱ゆらぎ、ノイズ）を内包することが知られています。正確に情報を伝え合うために、この温度で規定されナノICT 研究室
研究マネージャー

田中 秀吉
Tanaka Shukichi

理学博士
（物理学）

略歴

1996 年 名古屋大学大学院理学研究科 (物理 ) 博士課程修了、日本学術振興会特別研究員、佐賀大学
理 工学部助手、同助教 授、ジュネーブ大学固体物理学研究科研究員を経て、2002年に通信総合研究所（現 NICT）に入所し現在に至る。
研究分野
固体物性、強相関電子系、超精密計測技術、ナノプロセス技術、分子ナノデバイスの開発
近況
よい季節になってきたので、趣味の園芸活動にそろそろ本腰をいれようかと思っています。これもいわゆる「ナノ・バイオ」です。

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物質情報運用技術

バイオ材料に最適化されたナノ加工技術

精密加工・計測技術

分子構造精密配列技術
有機ナノ材料活用技術
バイオ応用センシング技術

バイオマテリアル活用技術

液中で使える原子間力顕微鏡レーザーを用いた生体分子観測・操作システム

時空相関情報検出応用技術

図 1 ナノ・バイオ融合プラットフォームの概要

る「ノイズ」に負けないような強いシ

われ未来ICT研究所では、どちらの領相補的に結合する、すなわち情報を受グナルやエネルギーを送りあう、ノイ域にもICTに役立てるという共通の目け取る相手が特異的にあらかじめ決ズやゆらぎを力技で押し切るというの標、強いドライブフォースがあり、研まっているので、混信することがありが情報を確実に伝え合うための一般的究協力における垣根はありません。そません。

な戦略ですが、その一方で、生物の情の強みを生かし、具体的なアクション

３つ目は、質ではなく量で機能を高報伝達や認識能力に目を移すと、信号とするために、2011年度からの中期度化していることです。情報を検出しエネルギーを増強して熱ゆらぎやノイ計画では、バイオとナノの融合研究をたり、受け取ったりする受信側に注目ズに打ち勝つのではなく、むしろそれ具体的に領域化して進めていくというすると、どの受信器官の中にも受信ユらをうまく利用することによって伝達方針が決まったわけです（図1）。

ニット（シグナル受容体）がたくさんつまっています。それらを構成するバ効率や確度を上げています。そこに、4ネットワークやデバイスに負荷をかけQ：バイオ素材はどのようなところがイオ素材やひとつひとつのシグナル受ずに情報を伝える手法や高感度な環境優れているのですか。

容体それだけを見れば単機能で貧弱でセンシング、脳の中のメカニズムを田中：従来型の電子的なメカニズムですが、それらが大量に集まり機能を補利用したような効率のいい情報処理や動作する素子は高い性能のものがいくい合うことでシステム全体としての高ネットワーク制御システムにたどり着つもつくられていますが、効率や適度度なパフォーマンスを実現しています。

くヒントがあるのではないかと、考えな機能という点では、バイオの巧みさ典型的な例として人間の嗅覚をあげられるようになりました。

も侮れないことがわかってきました。

ることができます。人間の鼻は10万

これらのシステムや構造を構成する

センシングや情報伝達という観点か種類の匂いをかぎ分けることができま要素を解明し、利用可能な形で再構成

らバイオの巧みさを理解するうえで重す。しかし、嗅覚デバイスである嗅球する技術をつくり上げることができれ要なポイントは大まかに言って３つあにある分子受容体ユニットは388種類ば、生物の感覚システムや脳の中の思ります。

しかありません。これらは、それぞれ考のシステムを “モノ” として示せるの１つ目は、情報が物質に乗っているが特定の匂い分子と結合してシグナルではないかと考えています。そのためことです。一般に情報通信は電気信号を発生するので、シンプルに考えればには、生物のからくりを解明する「バで情報を伝えますが、バイオではホル388種類の匂いしか認識できないはずイオ」と、究極的な精度で物質構造やモンやDNAのように物質の構造や組です。しかし、実際には10万種類以上機能を制御する「ナノ」が相補的に協み合わせそのものが情報です。物質がの匂いを認識できることが知られてい力することが重要となります。

相手に届きさえすればフルセットの情ます。これは、嗅球上に配置されたき

ただ、ナノとバイオの協力といって報が相手に確実に伝わるので、ノイズわめて多数の分子受容体ユニットがおも、一般の研究機関では、ナノならばやゆらぎと張り合う必要がありません。

互いに「かかわりあい」を持ちながらナノ構造をつくる研究に特化する、バむしろ、熱ゆらぎで適度にかき混ぜて協調し、匂いシグナルを構成する分子

イオなら生体機能の解明に特化するとくれる方が検出や伝達が促進されます。の情報を時空相関パターンとして認識いうように、研究を狭い領域に限定し２つ目は、抗体反応に見られるようてしまう傾向があります。一方、われな分子レベルでの高い物質選択性です。

KARC FRONT vol.23 2012 SPRINGしているからです。
また、視覚や触覚にも隣接する感覚特集：ナノ・バイオ融合 1

モジュールの相関をうまく使ってシスて、そのシステムを制御するアーキテテムとしてのパフォーマンスを向上さ

クチャは脳情報となるかもしれません。

せる仕組みがあることがわかっていま

この部分は、これから蓄積していかす。従来型の電子センサが素子そのもなくてはならない技術要素がたくさんのをハイスペックにすることで検出パあります。未来ICT研究者のアイデアフォーマンスを上げようとするのとはと技術を結集して、これまでになかっ対照的です

た革新的なものを開発していきたいとをつくって基板上に大量に敷き詰める思います。

こともできます。この技術をDNA造型

Q：具体的には、どのようにして感覚

図 2 DNA 造形による origami シートの作成事例。約 70×90 nm のシート状の DNAorigami。左の設計図に示した赤丸の部分に特定のマーカーが突出するように設計されており、右の FM-AFM 観察像で実際にその部分に目的とするナノスケール構造が形成されていることが確かめられた。といい、ナノスケールの空間精度を維システムをナノテクで再構築するので

Q：ナノ・バイオ融合分野ではほかに持したまま、ミクロンスケールの構造すか。

どのような研究を進めていますか。

をつくり上げることを可能にする技術

田中：生物のメカニズムを情報処理や田中：DNAそのものをセンサとするセです。

通信に利用するためには、それらが検ンシングとDNAによる精密構造作製、出し伝達している情報を何らかの形でこの2つに力を入れています。

例えば、図2のようにDNAでまず足場をつくって、その特定の場所に目印外部に取り出す必要があります。これDNAは、特定の塩基配列がつくりとなるマーカー構造をつけておきます。

らは基板やインタフェースを介して電出した物質により、他の配列を読ませ並べようとする分子ユニットにこれと気信号や光信号で取り出すことになるたり、読ませなくしたりすることがで選択的に結合するカウンターをつけてと思われますが、触媒や酵素などを利きます。この促進や阻害をつかさどる

おけば、後は部品を混ぜ合わせるだけ用した化学反応によるシグナル増強も物質を検出し、コントロールできれば、で各ユニットを基板上に精密に配置す検討する必要があります。また、個々外部からリアルタイムにDNAの構造をることができます。ただ、ここには生の受容体分子ユニットを整然と配列しつくりかえることができます。これを物特有の問題が絡んできます。いろいて協調動作させる技術も必要となりまうまく使うと、目的の物質ができたら、ろな反応が並行して進みます。その中す。これらの部分は、これまで私たちある特定の構造ができて、それをもとでエネルギー的に一番安定な構造がでがナノテクノロジー研究で培ってきた、に別の物質ができるという、ナノレベきるため、いろいろな候補の中でどれ基板加工や微小電極作製、分子配列制ルの連鎖反応をDNAによってコントができるかは、やってみなければわか御などのノウハウが役に立ちます。デロールできます。

らない部分もあります。ですから、つバイスの素材や調整にかかわる部分は

これらはセンサやアクチュエータのくることも重要ですが、実際にできたバイオのノウハウがあるので、これら基本メカニズムとして活用できるのでものを見て確かめることも重要となりを組み合わせて形にしていこうと考えはないかと期待しています。

ます。ています。

また、これまでのナノの研究では、例えば、ナノICT研究室の笠井主任

分子を精度よく並べることができる一

Q：どのように生体分子を見るのです

研究員は、古細菌から得たバクテリオ方、その空間精度を保ったまま大きくか。

ロドプシンという光感受性膜タンパクすることがコストや作業時間の面で困

田中：生体分子は、私自身の研究テー質を使って演算機能を持つ光センサを難でしたが、DNAを使えば、これも比マでもある、液中動作が可能な周波数つくろうとしています。そのタンパク較的簡単にこなせます。DNAは分子レ変調方式の原子間力顕微鏡(FM-AFM)

質を抽出し機能調整する技術はバイオベルでプログラミングできるので、構で見ることができます。DNA造型によであり、これらを基板上の電極上に整造をコントロールしやすく、二重らせるナノ構造が設計通りにできたかどう

然と配列する技術はナノです。そしん構造はもちろんタイルのような構造

かも、FM-AFMで観察して実際に確か

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特集：ナノ・バイオ融合 1

図 3 溶液中での高分解能観察に用いる原子間力顕微鏡のステージ部分。カンチレバーの先にある非常に小さな針を自己励振させた状態で、液滴の中に設置した観察対象に近づけると、探針先端と試料表面との距離によって自己励振周波数が変化する。これを精密に検出し画像化することで試料表面の原子スケールの凸凹を読み取る。

タイルはあくまで足場にすぎず、そこで特定の事象をセンシングしたとき、からさらに反応を進めていかなければいったいどういった情報が収集されるなりません。これを途中で真空に入れのか、情報をどう統合処理すれば、生てしまうと、DNAは水分を失ってミイ物の持っている高度な情報処理能力やラ化し本来の性質を失ってしまいます。

効率性を模倣できるのか、その本質は液中ならば元の性質や構造を維持した何なのか、どうすればそれらを漏れなまま観察できますし、さらに材料を追く他者に伝えることができるのか、と加して、反応の続きを追いかけることいった部分に重点を置いています。セも可能です。

ンサやデバイスをつくることそれ自体このような先端的な計測手段があるを大目的にしているわけではありません。

めることができます。なぜ液中にこだと、いろいろな研究機関から、これをわるかというと、バイオのサンプルは使って手持ちのサンプルを測りたいと生体のからくりを探求し再構成してほとんど溶液を介してその構造がつくいう申し出が多くあります。ナノ・バ

いく過程で得られたアイデアや技術かられ、維持されるからです（図3）。

イオの世界は自分たちだけですべて見ら、シリコンなどの非バイオ素材をところが、これまでのナノテクプロ渡せるほど狭くはないので、こういっ使って新しいデバイスを組んでもいい

セスの多くは超高真空環境での作業がた協力をきっかけに新たな共同開発のです。あくまで、そこにあるメカニ必須であり、溶液があってはだめでし

テーマの研究が始まることもあります。

ズムは何なのか、それをどう活かしていくかを考えて、材料が無機か有機かた。それをなんとか溶液の中でできるようにと開発を進めてきたのが、この

Q：将来に向けてどんな目標を立ててバイオかといったことにはこだわらず、観察手法です。

いますか。

研究開発を進めていきたいと考えてい田中：生物の感覚や機能に即したものます。

DNA造型の研究において、DNAの「ナノ・バイオ ICT シンポジウム 2012」を開催
未来 ICT 研究所は、2012 年 2 月15 日に、東京ビッグサイト（東京都江東区）で「ナノ・バイオ ICT シンポジウム 2012」を開催しました。
NICT の熊谷 博理事の開会挨拶、ナノ ICT 研究室の田中秀吉研究マネージャーによる主旨説明に続き、所外からのゲストを含む 7 人の研究者が最新のナノ・バイオテクノロジーについて講演を行いました。
このシンポジウムは、毎年 NICT が出展している世界最大のナノテク展示会「nano tech 2012」に合わせて開催されたこともあり、ナノとバイオの融合による新しい ICT 技術に興味をもつ企業や研究機関からの参加者で満席の盛況でした。
「私自身も講演内容をわくわくしながら聞いた」と閉会挨拶で大岩和弘
所長が述べたとおり、さまざまな視点で展開されているナノ・バイオの最先端研究についての講演は聞き応えがあり、講演後の質疑応答も活発に行われました。

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KARC FRONT vol.23 2012 SPRING

講演リスト
第一部 〈基調講演〉
法政大学生命科学部教授 川岸郁朗 氏「生物のインテリジェントセンシング機能〜細菌がもつ多機能環境応答センサーのしくみを探る〜」
第二部 〈バイオのからくり〉
大阪大学大学院医学系研究科教授 岡村康司 氏「細胞膜蛋白質による膜電位変化のセンシングと情報転換」
奈良女子大学生活環境学部准教授 才脇直樹 氏「脳機能計測を用いた触感インタフェースの開発」
第三部 〈バイオに学びバイオで測る〉
福井大学遠赤外領域開発研究センター教授 谷 正彦 氏
「テラヘルツ帯振動分光で探る有機・生体分子のダイナミクス」
未来 ICT 研究所ナノ ICT 研究室主任研究員 笠井克幸
「バクテリオロドプシン薄膜を用いたバイオミメティック光センシング」
未来 ICT 研究所バイオ ICT 研究室主任研究員 山田 章
「バイオ機能を再構築して使う」
第四部 〈バイオミメティックシステムによる高機能センシング〉
未来 ICT 研究所企画室専攻研究員 片桐祥雅
「非線形生物システムに学ぶマイクロインテリジェンスと応用」