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最近の研究成果

微生物分解 2018年6月15日発表

多様な微生物が協働で工業廃水中の有害物質1,4-ジオキサンを安定的に分解-自然環境での未知微生物の役割を新たな高感度同位体追跡法で解明!-

産総研で確立した、従来法より500倍の検出感度を有する高感度同位体追跡法を用いて、石油化学工業廃水中の有害物質1,4-ジオキサンを分解する微生物を多数発見するとともに、それらが協働的に働いて安定的な分解を維持できることを明らかにした。1,4-ジオキサンは、人への発がん性が疑われ、世界的な規制強化が進む有害物質である。近年、1,4-ジオキサンの処理方法として、低コスト・低環境負荷型の生物処理が大きな注目を集めているが、これまで1,4-ジオキサン分解菌は、時間と労力のかかる分離培養法でしか調べることができず、数種の分解菌しか知られていなかった。今回、産総研で確立した分離培養に頼らない高感度同位体追跡法を用いて、石油化学工業廃水の生物処理槽から多種多様な1,4-ジオキサン分解菌を発見し、それらの分解菌が協働して1,4-ジオキサンを安定的に除去することを見出した。これは、自然環境中の未知微生物の機能解明と動態制御につながる成果と考えられる。

石油化学工業廃水の生物処理槽への高感度同位体追跡法の適用の図

共生菌 2018年6月12日発表

セミの共生菌は冬虫夏草由来-寄生関係から共生関係への進化を実証-

日本産セミ類24種を調査し、うち15種が、冬虫夏草のセミタケ類にごく近縁の細胞内共生真菌と共生していることを明らかにした。従来、セミ類には2種の細胞内共生細菌サルシアとホジキニアが共生していることが知られていたが、今回、日本産セミ類ではホジキニアが失われて冬虫夏草由来の細胞内共生真菌へ置き換わる共生体置換が少なくとも3回起こり、共生真菌から別系統の共生真菌への共生体置換も複数回起こったと推定された。ほとんどのセミ類の共生真菌は培養困難であったが、ツクツクボウシの共生真菌の単離、培養に成功した。概要ゲノム配列を決定して、この共生真菌が、本来の共生細菌ホジキニアが供給する必須アミノ酸やビタミンの合成能力を持つことを確認した。今回、寄生関係から共生関係への進化が繰り返し起こったことが実証され、寄生微生物と共生微生物の間の予期せざる深い関係が明らかになった。冬虫夏草や近縁の菌類はしばしば漢方薬として利用され、免疫抑制剤など生理活性物質の産生菌としても知られており、主に亜熱帯地域に生息する多様なセミ類の共生真菌も新たな生物遺伝子資源として利用できる可能性がある。

アブラゼミ(左) オオセミタケ(右) セミタケ(下)の写真

脳波 2018年5月29日発表

100ミリ秒以内に脳波から運動意図を高精度に推定する方法を考案-脳の予測機能を利用して、動きたい方向を読み取る新しい技術-

脳の予測機能を利用し、脳波から高速・高精度に思い描いた運動(運動意図)を読み取るブレーン・コンピューター・インターフェース(BCI)技術を考案した。脳波から運動意図を直接読み取る従来のBCI技術では、精度を高めるための訓練を要したため、使用者の負担が大きかった。今回考案した技術は、運動を行う際に脳が運動を行った後の体の状態(運動結果)を予測する機能を利用している。運動を錯覚させる刺激を与え、運動意図から予測した運動結果と錯覚した運動結果のずれを脳波から読み取り、そのずれから運動意図を精度良く推定できる。前庭電気刺激(GVS)により運動を錯覚させて、脳波から左右への運動意図を推定する実験により、100ミリ秒以内の計測で、平均85 %以上の精度で運動意図が推定できることが確認できた。訓練が不要で、負担が小さいため、四肢麻痺患者などが車いすなどの外部機器を操作するインターフェースへの適用が期待される。

今回開発したBCI技術の概要の図

湿度制御 2018年5月30日発表

密閉容器内の湿度を20 %~80 %まで制御できる新手法-導電性高分子への通電による湿度制御法を開発-

有機電極材料として開発されてきた導電性高分子 PEDOT/PSSが高い吸湿性を示すことを見いだし、その性質を生かした簡単な湿度制御法を開発した。さらに、容積が約1リットルの簡単な構造の湿度制御容器を試作し、単3電池1本で20 %~80 %で湿度を制御できることを実証した。食料品、医薬品、生体材料などの任意の湿度環境での輸送や保管に用いる容器、実環境に近い高湿度環境下での分光分析用試料保持セルなどへの応用が期待される。

導電性高分子PEDOT/PSSを用いて試作した湿度制御容器(左)と容器内の湿度制御の様子(右)の図

電荷可視化 2018年6月22日発表

半導体中のマイクロメートルスケールの電荷分布を可視化-折り曲げられる電子デバイスの高性能化に期待-

産総研が独自に開発した薄膜トランジスタ(TFT)の電荷を可視化するゲート変調イメージング技術の、空間解像度を810 nmから430 nmにするとともに、時間分解能を3 µsから50 nsに大幅に向上させた。この技術により、多結晶性半導体中の結晶粒界付近で電荷が不均一に分布する様子や、結晶粒界が電気伝導を阻害する様子を可視化できた。ディスプレーやセンシングデバイスなどの情報入出力機器の大面積・軽量・フレキシブル化や、製造工程の簡略化・省エネルギー化に向けて、多結晶性半導体薄膜を用いたTFTの性能向上が課題となっている。多結晶性半導体の課題は、結晶粒界などに起因する不均質な構造が、性能低下の要因となることである。今回、TFT内に蓄積した電荷を可視化するゲート変調イメージング法の空間解像度と時間分解能を向上させ、多結晶性半導体の結晶粒界に起因するマイクロメートルスケールの不均一な電荷分布を可視化するとともに、結晶粒界付近の電気伝導の様子を50ナノ秒の時間分解能で捉えた。この成果は、多結晶性半導体内の電気伝導を可視化できる技術として、TFTの特性改善や高品質化に大きく貢献すると期待される。

多結晶性半導体中の不均一な電荷分布を可視化する技術の図

サンゴ礁 2018年6月7日発表

サンゴの骨格成長に寄与する共生藻の役割を解明 -広大なサンゴ礁が形成されるメカニズムの解明へ-

幼生が定着、変態した直後の稚サンゴを用いて、共生藻を持つサンゴと持たないサンゴを作成し、海水温などを変化させた水槽で飼育することに成功しました。本研究成果は6月6日、アメリカ地球化学会の学術誌「Geochimica et Cosmochimica Acta」に掲載されました。共生サンゴは非共生サンゴに比べ、炭酸カルシウムからなる骨格の成長量が大きいことが分かっていますが、今回、実験期間中に成長したサンゴ骨格の化学分析を行うことで、この違いがサンゴ体内のpH上昇に起因していることを発見しました。共生藻がサンゴ礁の成長に重要であることは昔から報告されていましたが、具体的な役割についてはよく分かっていませんでした。今回の成果はこの謎の解明に大きく寄与し、サンゴが共生藻のほとんどを失ってしまう「サンゴの白化」が、いかにサンゴ礁の成長を阻害するものであるかが示されました。

共生/非共生サンゴの温度制御飼育実験の結果の図

単一電子素子 2018年2月2日発表

たった1個の電子で1ビットを表現する世界初のデジタル変調を実現-広い周波数範囲で正確に任意波形の極微小交流電流を発生可能に-

電流の最小単位である電子を1個単位でオン・オフ制御できる単一電子デジタル変調技術を開発した。電流は電子の流れなので、電子1個1個を正確に制御・検出できれば、従来の計測器では不可能だった精度での電流発生・計測を実現できる。産総研では、これまで、半導体ナノ加工技術で作製した単一電子素子を用いて、一定周期で電子を1個ずつ送り出し、直流電流を発生・計測する技術の開発に取り組んできた。今回、電子の密度を時間的に変化させる単一電子デジタル変調技術を開発し、電子数個レベルで正確な任意波形の電流を発生させることに成功した。発生させた電流を基準とすることで、直流(0 Hz)~メガヘルツ(MHz)の周波数帯域で、フェムトアンペア(fA)(10-15 A)以下の極微小電流を精密に測定できるようになる。今回開発した極微小電流の発生技術は、低消費電力化が期待されるスピントロニクスなど次世代素子の研究開発や、ナノ構造中で生じる物理現象の解明などの基礎研究への貢献が期待される。

電子1個を制御できる素子の電子顕微鏡写真(左)、今回開発したデジタル変調技術の模式図(右)

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