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最近の研究成果

水処理膜 2017年2月23日発表

活性汚泥による水処理膜の閉塞を新たな手法で解析-共焦点反射顕微鏡と次世代シークエンサーによる解析の組み合わせ-

共焦点反射顕微鏡法を用いたバイオフィルムの非破壊での観察技術と、次世代シークエンサーを用いた微生物の大規模同定技術とを組み合わせて、水処理膜が閉塞する原因を解析した。バイオフィルムにより水処理膜が閉塞する原因や発生機構については、モデルは提唱されているものの、実環境での水処理膜の状態の解析は技術的に困難であるため、不明な点が多かった。今回、蛍光プローブを併用した共焦点反射顕微鏡法により、水処理膜上のバイオフィルムを構成する細胞由来高分子を可視化した。また、次世代シークエンサーを用いて、バイオフィルム中の微生物を一度に数十万種レベルで同定した。これらから、膜閉塞の原因物質と原因微生物を解析した。これらの手法を用いて、水処理システムへ流入する廃水の有機物濃度が膜閉塞に与える影響を調べた。その結果、廃水中の有機物が多い場合は、バイオフィルム中での異種細菌の捕食被食関係が原因となって生じる死細胞膜脂質が水処理膜上に蓄積するという、従来のモデルとは異なる膜閉塞発生機構の可能性を見出した。

共焦点反射顕微鏡法により可視化された膜を閉塞する物質と微生物の図

不凍タンパク質 2017年2月16日発表

連結して氷の結晶成長を食い止める不凍タンパク質を発見-小さな氷結晶で埋め尽くすように水を凍らせる新技術-

濃度に応じて分子同士が連結し、氷の結晶成長を止める新しいタイプの不凍タンパク質BpAFPを魚類から発見した。BpAFPを用いることにより、食品や細胞の中に氷の塊を作らせない新たな凍結保存技術を開発できると期待される。通常の氷は無数の氷核が融合したものであり、それらが時間と共に成長して塊になることが冷凍食品の品質や凍結細胞の生命力を低下させる原因になっている。不凍タンパク質(AFP)には氷核の一部に結合するタイプと全面に結合するタイプがあるが、BpAFPは高濃度になるほど氷核への結合範囲が拡大する新しいタイプの高機能型AFPであることが明らかになった。

BpAFPは水を極めて小さな氷核で埋め尽くして凍らせるの図

歌詞イメージ探索 2017年2月21日発表

歌詞のトピックに基づいてさまざまな歌詞に出会える新しい歌詞探索ツール「Lyric Jumper」を公開-(株)シンクパワー「プチリリ」の大規模歌詞データを産総研の技術で自動解析して実現-

歌詞のトピックを可視化して、膨大な曲の歌詞の中から興味のある歌詞を見つけることができる歌詞探索ツール「Lyric Jumper(リリック ジャンパー)」を開発した。シンクパワーが運営する歌詞配信サービス「プチリリ」内で、無料で利用できるツールとして、2017年2月21日に一般に公開する。「Lyric Jumper」は、「プチリリ」が配信する歌詞データの一部(開始時は約15万曲)を、産総研が開発した歌詞トピック解析技術を用いて自動解析し、歌詞に出てくる単語の出現の仕方から、楽曲ごとのトピックを自動推定することで実現した歌詞探索ツールである。自動推定された各トピックには、単語の出現傾向から、「大人の恋愛(男性編)」「大人の恋愛(女性編)」「夢と未来」「硬派」「センチメンタル」といった名称がラベル付けされており、利用者はトピックを手掛かりにさまざまな探索を行える。

「Lyric Jumper」の開始画面の画像

断熱性材料 2017年2月13日発表

高温下で使用可能なファイバーレス高強度高断熱性材料を開発-低熱伝導率と高強度を両立、消費電力量を約38%削減-

熱伝導率0.25W/m・K以下で圧縮強度10MPa以上の特性を持つ、1,450℃まで使用可能なファイバーレス高強度高断熱性材料を開発しました。今回開発した断熱材を小型電気炉に施工し、使用電力量を測定したところ、従来の耐火断熱れんがを施工した場合と比べ消費電力量を約38%削減できることを実証しました。

今回開発したファイバーレス高強度高断熱性材料の外観(左)と電子顕微鏡画像(右)の図

省電力メモリー 2017年2月14日発表

トポロジカル絶縁体の表面金属状態の絶縁化-特殊な電気磁気効果観測のための物質基盤を確立-

磁性層と非磁性層を交互に積み重ねた「トポロジカル絶縁体」積層薄膜を作製することで、特殊な「電気磁気効果」の発現が期待される新しい量子状態を実現しました。電気磁気効果は電場印加によって磁化(磁石としての性質)が発生したり、逆に磁場印加によって電気分極が起きたりする現象のことで、将来の省電力メモリー素子への応用が期待されています。トポロジカル絶縁体は、物質内は電気を通さないが表面は電気を通す物質であり、トポロジー(位相幾何学)に由来する特殊な電気磁気効果が発現すると理論的に予測されています。しかし、トポロジカル絶縁体では通常、金属的な表面状態があるため電気磁気効果が生じません。そのため、電気磁気効果の観測にはトポロジカル絶縁体の表面を絶縁化する必要があります。理論的には、二つの磁性層の磁化を、表面に対して垂直にそれぞれ逆向き(反平行)に向かせると絶縁体になると予測されていますが、従来の技術では磁化の向きを制御するのは困難でした。今回、共同研究グループは独自に開発した「磁気変調ドーピング」という手法で、トポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3(Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)」と、それに磁性元素Cr(クロム)を添加した磁性トポロジカル絶縁体「Crx(Bi1-ySby)2-xTe3」を用いて、磁性/非磁性/磁性の三層に積層した薄膜を作製しました。この薄膜を調べたところ、二つの磁性層の磁化が反平行になる状態ができ、表面が絶縁化していました。この結果は、理論的に予測されている特殊な電気磁気効果発現の条件であり、電気磁気効果観測のための物質基盤を確立したことになります。今後、作製した積層構造の薄膜を用いて特殊な電気磁気効果を直接観測できると考えられます。また、今回の積層技術の開発によって可能になった新しい量子状態はトポロジカル絶縁体の理解をより深め、さらにスピントロニクスや量子コンピューティングへの応用に役立つと期待できます。

トポロジカル絶縁体積層薄膜における量子異常ホール効果と電気磁気効果の概念図

サンゴ礁 2017年1月19日発表

サンゴの骨格形成の高精度な可視化に成功-サンゴは能動的に体内のpHを調整して成長する-

サンゴが骨格を作る際の細胞群の動きを世界で初めて詳細に捉えることに成功しました。この成果は、生きたサンゴが体内の環境を最適な状態にしながら骨格を作る様子を報告しつつ、これまでの定説に疑問を投げかけるものです。将来的には、この知見を基に、骨などの硬組織の形成メカニズムの進化過程をより深く理解するための研究展開が期待されます。さらに、今後、サンゴがどの程度の海水温上昇や海洋酸性化などの環境問題に対応可能なのかを、細胞・組織レベルで明らかにする上で重要な知見になります。

沖縄県石垣市(石西礁湖)のサンゴ群集の写真

電子エネルギー 2017年1月31日発表

安定なイオンが周囲の原子の電子をキャッチ&リリース!-X線照射による生体分子損傷の機構解明に貢献-

安定な2価イオンが原子集団の中に存在すると、周囲にある原子をイオン化して低エネルギー電子を放出する新しい現象を観測しました。原子に非常に高いエネルギーのX線を照射すると、電子を2つ放出して安定な2価原子イオンが生成されます。この安定な2価原子イオンは、周囲に何もなければいつまでもそのままでいますが、原子集団の中にいると、隣にいる原子から電子を一つ奪って自らは1価原子イオンになると同時に、さらにその反動で他の原子から電子を一つ飛び出させる過程が起きると理論的に予測されています。この過程では、非常に高いエネルギーのX線を吸収するにもかかわらず、非常に低いエネルギーの電子が放出されます。低エネルギーの電子は生体分子を壊しやすいため、X線照射による低エネルギー電子の生成過程の解明は、放射線損傷を制御し、放射線治療を効果的かつ正確に行うためにも重要であると考えられています。本研究では、ネオン原子とクリプトン原子で構成される原子集団をモデル系として、大型放射光施設SPring-8で利用できるX線を照射し、生成される多くのイオンと電子を同時に検出する高度な計測技術を駆使して、低エネルギー電子生成過程を解明しました。

本研究で解明した反応過程の図

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