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どんな研究?どんな夢?

真理を探究し、不可能を可能にする 先生方の研究内容と夢に触れてみよう
生命分子化学科の教員は教授6名、准教授3名、講師1名、助教2名の計12名で、次の7つの分野に分かれて研究しています。

扱う対象は金属原子クラスターから蛍光色素、高度π共役系化合物、薬剤リード化合物、超分子集合体、RNA、DNA、抗体、酵素、微生物、細胞、土壌、雨水や海洋水まで。まさに、ナノからテラまでを網羅するユニークな研究を展開しています。

椿 一典

機能分子合成化学研究室・教授

専門有機合成化学

研究課題新奇有機π電子系化合物の創製
ケッタイでユニークな反応開発
高い薬理活性をもつ化合物の創出

有機合成化学は、文字通り有機化学を使って化合物を合成する研究領域です。合成化学者は今までに世界で誰も作った事がない化合物を合成することができます。誰も作った事がない化合物を合成する、そのための反応の開発、または今までは、何工程もかかって合成していた化合物を短工程でより効率的に合成する反応の開発も、研究の対象です。また出来た化合物の性質が変わっている、特異である場合には、なぜその特異な性質が備わっているのか?化合物の構造がどのように関係しているのか?特異な性質を増強するにはどのようにすればよいのか?という、機能に焦点を充てた研究も、ターゲットのひとつです。何かの役に立つことを狙ったターゲット指向の研究と、純粋に科学的興味に特化した研究のバランスをうまくとりながら研究を進めています。

面白かったらなんでもOK。何かヒントを思い付いたら、直ぐに実験で確かめる。論より証拠。

この辺りのフレーズが私の研究スタイルを表しています。

 

今吉 亜由美

機能分子合成化学研究室・助教

専門精密有機合成化学

研究課題新規反応開発
有機材料の合成・創成

有機合成化学は分子レベルで物質を扱う究極のものづくりの学問です。私たちの研究室では精密有機合成化学の技術を基盤とし、面白い性質を持った化合物を精密にデザイン・合成する研究を行っています。また逆に、実際に合成した分子の性質を最大限に引き出す研究も行っており、その合成・分析の両面から、面白い特性を持った新規材料の創出を目指しています。さらに、化合物を創る過程で反応開発も行っています。新しい概念を発信できるような反応を見出だす事が究極の目標です。

研究は試行錯誤と挑戦の連続ですが、実際に合成した化合物を手にした時の達成感、望みの反応が進行した時の喜び、思いがけぬ結果が得られた時のわくわく感は、何にも代えがたい感覚です。常に実験と真摯に向き合い、よく考えて仮説を立て続け、活発な対話を通して、アイディアの実現と新奇な物創りに向けて日々研究に取り組んでいます。

石田 昭人

機能分子設計化学研究室・教授

専門分子分光学

研究課題発熱性長残光蛍光体によるがん細胞イメージング即時レーザ温熱治療
表面プラズモン加熱による抗原抗体反応の1分子観測
プラズモニック媒体としての異方性金属ナノ粒子の開発

光を集める道具といえば小学校で習った虫眼鏡が思い浮かびます。しかし、最新の光学顕微鏡のレンズでも、可視光はせいぜい250 nm(ナノメートル:10億分の1 m)程度の大きさにしか絞り込めません。これは分子のサイズ(数nm)にくらべると随分大きく、古典的な方法で分子と光をやりとりするには無理があることがわかります。また、光は非常に速いので、分子をすぐに通り抜けてしまってうまくエネルギーをやりとりできません。

私の研究は、光をナノサイズの空間に閉じ込めたり、光の速度を遅くしたりして効率良く分子とエネルギーをやりとりすることで、今まで不可能だったバイオセンシングやバイオイメージング、エネルギー変換を実現しようというものです。光を自由に扱うために通常の光ではなく、光を金属の自由電子の動きに変えた「表面プラズモン波」というものを使います。また、光のエネルギーを長時間閉じ込めたり2つの光子を1つに変えたりする能力をもつ希土類元素を使います。扱うサンプルは抗体やDNAや細胞、そして金属やセラミックですが、背景理論は物理ですし、測定装置は極限的な性能が要求されるので市販の装置や部品をもとに独自に作ります。計測ソフトも自分で作ります。

「出来たら面白いな」と思ったことを実証して不可能を可能にしていく快感はなにものにも代えがたいものです。「化学」や「生物」といった科目の枠を打ち破って、一緒にナノフォトニクスの世界で夢を実現しましょう。

 

沼田 宗典

沼田宗典准教授

機能分子設計化学研究室・准教授

専門超分子科学・機能物質化学

研究課題有機化学を基盤とした機能性物質の創製に関する研究

自然を展望し、生命の分子システムに学び、その緻密な分子集積構造が生み出す自律的かつ柔軟な機能を人工物質に取り込もうとする努力は、化学者の使命の一つです。生体内ではそれぞれの個性をもった生体分子が複雑に組織化する事で、個別要素の振る舞いからは予測出来ない、高次の機能が発現していることが知られています。これが有機化学的にみた生命の本質です。

一方、膨大な化学研究の積み上げによって、様々な物質を人工的に生み出すことが可能となりつつあるありますが、そうした化学者のたゆまない努力を持ってしても、未だに生命の分子システムには到底およびません。つまり、生命を意識した次世代の超高機能、環境調和型物質群の実現には、従来の分子化学の枠を越えたブレイクスルーが必要です。

こうした背景の中、我々は分子が自発的に集合する現象、つまり分子認識と自己組織化をキーワードとして、原子-分子-分子集積-機能材料の階層を制御し、生命を意識した機能物質群を創出するための新しい化学を導こうとしています。特に、分子に的確に人間の意思を伝え、自在に集積し、機能発現させるための新しい原理を開発し、そこから次世代の機能性物質群を創出していきたいと考えています。

 


高野 和文

高野和文教授

生命構造化学研究室・教授

専門生体分子工学、生物物理

研究課題タンパク質の形作りから捉える生命現象と応用技術開発

タンパク質は我々生命にとって重要な物質です。世界中で様々な観点から研究されています。タンパク質の構造を決定したり、酵素反応のメカニズムを解明したり、抗体抗原反応やシグナル伝達などでの分子間相互作用を明らかにしたりしています。私は少し違って、「タンパク質が形をつくるということ」に着目して研究を進めています。

タンパク質はご存知の通り不安定な物質ですが、それぞれ特異的な立体構造を形成します。この形作りの過程や原理を追求すると、一般的なタンパク質の性質が見えてきます。また、タンパク質の形作りは生命活動のいろいろな事象と関連があることもわかり、その事象の解明にも役立ちます。さらにこうして得られた知見を実際に応用して新たな技術を作ることも行っています。

目指すは、『タンパク質自由自在』です。

織田 昌幸

織田昌幸准教授

生命物理化学研究室・教授

専門生物物理学

研究課題タンパク質など生体高分子の“構造機能相関”解明
蛋白質の“動き”の解明

我々の生命活動の根源となる遺伝情報は、タンパク質の構成成分となるアミノ酸に翻訳されます。個々のタンパク質全てが、20種類のアミノ酸が繋がって出来ているのですが、その構成アミノ酸の並び方によって、様々な立体構造(三次元構造)をとり、この立体構造に基づき、様々な機能(働き)を持ちます。例えば抗体は、外敵から身を守るため、体内に入ってくる物質が自己か非自己か(自分に害があるかないか)を識別する機能を持っています。抗体もタンパク質なので、アミノ酸から出来ているのですが、様々な立体構造をとることで、個々の抗原(抗体が結合する物質)を識別し、結合できるのです。様々なカギに対応するカギ穴が用意されているような感じです。最近では、X線結晶法やNMRを用いて、タンパク質の立体構造を原子レベルで、すなわち1オングストローム(0.1ナノメートル)程度の分解能で、決定できます。ナノより小さい世界を、実験的に見ることが出来るとは・・・ヤバくないですか?

ここまで読んでくださった賢い皆さんは、「タンパク質の立体構造がわかったら、その働きもわかる」と思いますよね?ところがサイエンスというのは面白いもので、なかなかスッキリ回答を見せてはくれません。立体構造がわかってきて我々が気付いたのは、タンパク質は溶液中で動いていて、この動きを理解しないと機能を良く理解できない、ということです。X線やNMRでわかる立体構造というのは、スナップ写真のようなもので、動画の撮影が必要、ということです。

ではどうするか・・・これが生命物理化学研究室の研究主題です。様々な物理化学的手法を駆使します。もちろん新しい手法の開発も含めて、「こんなん、できないかな?」というアイデアを試します。タンパク質の主要な働きとして、相手を識別し、結合します。その際に、単純なカギとカギ穴ではなくて、立体構造を微妙に変えるのです。この構造変化を検出し、制御出来るようになれば、例えば医薬品の開発にも大いに役立ちます。


矢内 純太

矢内純太教授

生命分析化学研究室・教授

専門分析化学・土壌化学

研究課題陸域生態環境における各種化学物質の生物地球化学
土壌の各種元素の形態別定量と土壌の肥沃度・健全性の評価

「生命現象と生命環境を化学する」という学科理念の「生命環境を化学する」部分を担っています。生命環境は、我々人間を含めて全ての生命が生きていくための基盤であり、その理解は我々が生きていくために不可欠なものです。

陸域生態系においては、大気・水・土壌という大きく3つの基盤があります。このうち、土壌は食料生産を支えるとともに環境の要でもあり、そこに含まれる元素や化合物に関する化学的知見は、土壌の様々な機能を理解するために必須なものです。そこで、土壌に含まれる各種元素(植物の必須元素や有害金属元素など)の存在量やその化学形態を、分析化学的手法を駆使して調べています。また、土壌を構成する成分(無機鉱物や有機物)の組成、構造や理化学的性質(吸着性など)についても分析しています。さらには、陸域生態系全体での元素や化合物の挙動を調べることにより、生物地球化学的な物質循環を明らかにする研究も進めています。

土壌を様々な酸や抽出液などで溶出/分解した溶液は、様々な物質が溶け込んでいるため、純水に1種類の化学物質が溶けている単純な系での分析手法が必ずしも適用できず、そのため土壌の分析は分析化学に関する応用問題を解くようなところがあります。

21世紀は「環境の世紀」とも言われます。環境についてより深い理解を得たいと考えていて、分析化学についても興味がある人は、一緒に学んでみませんか。

 

中尾 淳

生命分析化学研究室・准教授

専門生物地球化学・環境化学

研究課題土壌の生成プロセスの解明と機能発現パターンの解析

我々の足元にある土壌は、高度に組織化された多機能素材です。岩石が変性・細粒化してできた砂や粘土と、植物遺体から分解・変性した様々な高分子化合物が結晶成長するように結びつくことで、多孔質性、イオン吸着性、生物多様性などの岩石とは全く異なる機能を発現し、植物生育、炭素貯留、水資源涵養などの生態系サービスを提供しています。

一方で、サービスの質は必ずしも一定ではありません!火山灰からつくられる土壌は、根が深くまで張れるふかふかの物理性を提供する一方で、植物に必須のリン酸を強く固定する裏の顔も持っています。氏(何を素材にしているか?)や育ち(どんな条件で成長したか)によって、土壌は全く異なる顔を見せてくれる面白さを持っているのです。

私は、土壌の機能発現の要因を、氏や育ちの観点から解明することを目的としています。例えば、土壌に放射性セシウムの固定機能があることをご存知ですか?その原因は雲母という鉱物への吸着です。最近の研究で、この雲母の由来が足元の岩石ではなく、何と中国から飛来する黄砂の主成分として何千~何万年もかけて積もったものだったことを解明しました。自然物質を対象にサイエンスとして信頼に足る証拠を揃えるには、フィールド調査から室内での試料調整、機器分析、そしてデータ解析と多くのプロセスをこなす必要がありますが、目に見えない現象を「可視化」していく過程は実にエキサイティングです。

一緒に人と環境とのかかわりについて、化学の目で見直していきましょう。

 

石嶌 純男

石嶌純男准教授

高次細胞機能化学研究室・准教授

専門生化学・分子生物学

研究課題細胞活動を調節する酵素・タンパク質の機能と制御機構の解析
マグネシウム膜輸送タンパク質の分子機能解析
天然機能分子の酵素活性制御機構の解析

細胞は、多くの酵素・タンパク質のはたらきによって、その活動を維持しています。そして、細胞の環境の変化や外からのシグナルによってその活動を変化させています。細胞の中で、細胞活動を担う酵素・タンパク質の活性を制御している物質の一つがマグネシウム(Mg)です。Mgは、周期表2族に属する無機物質です。細胞内では、この Mgの濃度が変化して、細胞活動を調節しています。ヒトでは、Mgの欠乏は、循環器系疾患や糖尿病、偏頭痛など種々の悪影響を及ぼします。高等植物では、光合成において光を受容する光合成色素の中心に Mgが配位し、さらに、光合成における炭酸固定反応もMgが調節しています。しかし、この細胞内の Mg濃度を調節する分子的なしくみが、実は未だよくわかっていません。私の研究テーマの一つが、細胞内の Mg濃度を調節する Mg膜輸送タンパク質の分子機能解析です。

もう一つの研究テーマが、「天然物質ギムネマ酸の生理作用発現の分子的解明」です。ギムネマ酸という有機化合物は、種々の生理作用をもち、そのうちの一つが血糖値の低下作用です。ギムネマ酸のターゲットとなる酵素への結合と、酵素の機能変化を研究しています。

研究全体を通して、タンパク質の遺伝子 cDNAをクローニングし、遺伝子工学的手法を用いてタンパク質を改変し、純粋なタンパク質を得て、解析に用いています。

 

佐野 智

高次細胞機能化学研究室・講師

専門植物生理学

研究課題植物の環境ストレス耐性を担う酸化的活性分子種消去システムで機能する酵素の研究

周りの環境が、ある生物の生存や生育に適した条件からずれている場合(例えば、光が強すぎる、乾燥し過ぎている、寒すぎるなど)、その生物は環境からストレスを受けます。私たち人間も含めて動物は移動することでそのような不利な環境から逃げることができますが、大地に根を張った植物は動くことができないため環境ストレスをより受けやすく、これに対抗する仕組みを高度に発達させてきました。

植物が環境ストレス、特に光・酸化ストレスにさらされると、葉緑体で行われている光合成で生じる活性酸素種(ROS)の量が増大します。ROS自身あるいはROSが反応して生成する反応性の高い分子種は、細胞内の様々な分子を攻撃して、損傷させ、その機能を失わせ、ひどいときには植物は枯れてしまいます。植物の環境ストレスに対抗する仕組みとして、ROSを含むこれらの反応性の高い分子種の細胞内での濃度を低下させるシステムがあげられます。現在、これらのシステムで働いている酵素の研究を行っています。具体的には、ROS消去の鍵物質であるアスコルビン酸(ビタミンC)を還元・再生する酵素や、ROSと脂質の反応で生成する活性カルボニル種(RCS)を還元して毒性を低下させる酵素などです。

将来、これらの酵素の関わる植物の環境ストレス耐性のメカニズムの詳細が明らかになれば、極限環境(極地や砂漠など)でも生育できる植物が開発され、地球温暖化や食糧不足、エネルギー不足などの問題解決のいとぐちになるかもしれません。


渡部 邦彦

渡部邦彦教授

微生物機能化学研究室・教授

専門微生物機能化学

研究課題有用な微生物や微生物酵素を探索し、それらが持つ新機能の解析・応用に関する複合的研究

有用な微生物や微生物酵素を探索し、それらが持つ新機能の解析・応用に関する複合的研究を行っています。研究の流れとしては、まず最初に、私たちを取り巻く自然界にあるサンプル(時には特殊環境)から、あるターゲットした酵素を作り出す微生物だけを選び出す(これをスクリーニングと言います)ことに多大な時間と労力をかけます。その過程を経て得られたものを有用微生物として、研究材料に研究を行います。選抜して来た微生物の同定、生理的性質調査、培養条件の検討等を、微生物学的手法のみならず生化学や分子生物学などの手法を使って行い、単離した微生物を科学的に飼い馴らして行きます。その後、ターゲットした酵素に焦点を当て、精製、生化学的性質決定、有用な酵素としての価値を調べ微生物や酵素の機能を明らかにして行きます。さらに酵素遺伝子を単離して解析して大量発現を試みたり、機能の改変を行います。同時に、酵素タンパク質の構造解析のため、精製タンパク質の結晶化を行って、X線結晶構造解析を行ったりします。このように多岐に渡る研究を、何年にもかけて行っていきます。

現在は、難分解性動物タンパク質(コラーゲン、ケラチンなど)を分解する好熱性細菌をスクリーニングし、この細菌について、ゲノム解析から産生される特殊な酵素について研究を行っています。自分の研究室の力だけでは限りがあるので、近隣の大学や研究所などと共同研究を行っています。

予想もしなかった微生物や微生物酵素の機能を見出しながら、新しい科学的事実を解明していくことが出来たらと考えています。

辻本 善之

辻本善之助教授

微生物機能化学研究室・助教

専門発酵生理学・分子細胞生化学

研究課題微生物の脂質関連酵素に関する研究
脂質・脂溶性物質の輸送に関する研究

人類は、いまだ地球上に存在する微生物の1%も発見していないと言われています。それら微生物の中には、現在、食品、医薬品、化粧品産業などで利用されている酵素(生体触媒)や機能性物質よりも優れたものを生産する微生物が存在すると考えられています。それら有用微生物の探索・同定は微生物学分野で最も重要な研究の一つであり、生命の神秘や不思議さを最も味わえる研究の一つだと思います。また、人類が今まで利用してきた醸造用微生物の未だ知られていない機能を見出すことなどにより、微生物の高度利用に貢献したいと思っています。

現在、脂質・脂溶性物質やそれらに関わる酵素に注目しています。研究対象の一つはリン脂質分解酵素(ホスホリパーゼ)です。リン脂質は、細胞膜の主要成分であり、その構造は、グリセロール骨格のsn-1位とsn-2位にエステル結合で繋がった2つの脂肪酸と、sn-3位に結合したリン酸を含む極性基から構成されています。グリセロール骨格のどの位置になにが結合しているのかでそのリン脂質の性質は大きく異なります。有用なリン脂質やリゾリン脂質(脂肪酸側鎖が1つしかないリン脂質)を合成(生産)するには、基質特異性や立体位置特異性が優れている酵素の利用とそれらの使い分けが重要です。そこで、新奇なリン脂質分解酵素(ホスホリパーゼ)を生産する細菌を探索・同定や、その酵素の機能解析などを行っています。

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※また、ホームページで使用しているキャラクターは、夢明氏の作製によるものです。