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世界トップレベル 研究拠点プログラム（WPI）
World Premier International Research Center Initiative 世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI） Achievements これまでの成果について CONTENTS English 02 Achievements Japanese 16 「これまでの成果について」 04 Aiming to be “highly visible research centers” 06 Tohoku University : Advanced Institute for Materials Research (AIMR) 20 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 （AIMR） 07 The University of Tokyo : Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) 21 東京大学 国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 （Kavli IPMU） 08 Kyoto University : Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) 22 京都大学 物質−細胞統合システム拠点 （iCeMS） 09 Osaka University : Immunology Frontier Research Center (IFReC) 23 大阪大学 免疫学フロンティア研究センター （IFReC） 10 National Institute for Materials Science : International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) 24 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクト二クス研究拠点 （MANA） 11 Kyushu University : International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I²CNER) 25 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 （I²CNER） 12 University of Tsukuba : International Institute for Integrative Sleep Medicine (IIIS) 26 筑波大学 国際統合睡眠医科学研究機構 （IIIS） 13 Tokyo Institute of Technology : Earth-Life Science Institute (ELSI) 27 東京工業大学 地球生命研究所 （ELSI） 14 Nagoya University : Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) 28 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 （ITbM） 18 「目に見える拠点」 を目指して World Premier International Research Center Initiative Achievements World Premier International Research Center Initiative (WPI) Achievements “ 02 Building research centers in Japan from around the world to want to Toward achieving this end, the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) launched the World Premier International Research Center Initiative (WPI) in 2007. Competition to secure the world's finest brains has intensified over recent years. For Japan to take a world lead by virtue of the strength of its science and technology amidst this demanding environment, it needs to place itself within the global flow of outstanding human resources while creating open research platforms that attract such people from around the globe. To achieve the four basic WPI objectives simultaneously, the program works to build truly top world-level research centers. WPI centers It has been 10 years since the WPI program was started. Each center makes its research achievement in the following pages. ■ Five centers adopted in 2007 P.06 Tohoku University : Advanced Institute for Materials Research (AIMR) P.10 National Institute for Materials Science : International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) Director : Motoko Kotani Director : Masakazu Aono P.07 The University of Tokyo : Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo Institutes for Advanced Study (Kavli IPMU) Director : Hitoshi Murayama P.08 Kyoto University : Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) P.09 Osaka University : Immunology Frontier Research Center (IFReC) Director : Susumu Kitagawa Director : Shizuo Akira Achievements 03 that prompt frontline researchers work in them. Science Advancing to the highest pinnacle globally leading-edge research ” Reform Reforming research organizations Achieving flexible organizational management, which has heretofore been difficult to do in Japanese institutions Building top-level centers by simultaneously achieving Globalization Establishing international research environments Fusion these four objectives Creating interdisciplinary domains With English as the primary language Challenges in building top-world institutes Assembling a critical mass of outstanding researchers ■ One center adopted in 2010 P.11 Kyushu University : International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I2CNER) Director : Petros Sofronis - At least, 10-20 world-class principal investigators - With at least 30% of researchers continuously from overseas Research operation and environment of top international standard - Strong leadership by center director - English as the primary language - Strong support functions for researchers ■ Three centers adopted in 2012 P.12 University of Tsukuba : International Institute for Integrative Sleep Medicine (IIIS) P.13 Tokyo Institute of Technology : Earth-Life Science Institute (ELSI) P.14 Director : Masashi Yanagisawa Director : Kei Hirose Nagoya University : Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) Director : Kenichiro Itami Securing additional resources that match or exceed the amount of the project grant Program Contents Funding period -10-15 years Project funding - Around ¥1.3-4 billion per year for centers adopted in 2007 and 2010 （Up to about ¥0.7 billion per year for centers adopted in 2012） In addition to research achievements of the world's highest level, the WPI program seeks to reform the traditional Japanese R&D system, while raising Japan's research environment and operation to a high level of international excellence. The centers are also expected to generate ripple effects that improve their host institutions. Realization of global research environment 04 In the arena of top-level science and technology, English is used as the primary language. It is a prerequisite to creating the kind of international environment that attracts top-flight researchers irrespective of nationality. At each center, more than 30% of the researchers are from overseas. With all the researchers working together under one roof (in the same building), they compete in friendly rivalry, generating knowledge across disciplines and cultures. This has spawned a new research environment, heretofore not seen in Japan. For reference, the ratio of foreign faculty in Japanese universities is only 4％. (FY2014 School Basic Survey) The WPI program provides a model for globalizing research institutions in Japan, and will be a powerful force in driving forward such - At 3 p.m. researchers holding a mug in one hand gather in a cafe space. This marks the start of“tea time”joined every day by all the researchers at Kavli IPMU. - Around the space are placed white and blackboards. As their chats gain momentum, the researchers use these boards to draw equations and diagrams. reforms. The following measures have been put in place to support overseas researchers. - Assignment of bilingual administrative staffs - Housing and daily living support, including child education - Support for research activities including the securing of research equipment and applying for research funding - Providing bulletin boards and cafeteria menus written in English Leading to the reform of research institutions The WPI centers are established within their host institutions. Seeing the effectiveness of the center reforms, the institutions apply the similar strategies within their wider organization. Examples of New Strategies Aiming to be“highly visible research centers” Global demand for talented researchers Aiming at becoming highly visible research centers Along with China's rapid growth, the“competition for intelligence”has intensified within the world. Particularly fierce competition is seen in the global market for the world’ s finest brains. In the past, researcher recruitments by Japanese institutions tended to be perceived as internationally locked out due to their language environment and other domestic aspects. The WPI centers were the first to adopt an entirely English recruitment process, placing themselves into the global competition for the best brains. In addition, the WPI program has engendered a merit system for paying salaries based on a researcher's competence and performance. By way of each center's reporting of many excellent research results and proactive outreach activities, the WPI program has succeeded in elevating its international reputation and persona, enabling the centers to recruit researchers from such top-flight overseas institutions as Harvard and MIT. Top 1% of papers by citations One indicator of high-quality papers is a ratio of top 1% paper to total (※). In this respect, the average number of top 1% papers among the five WPI centers is higher than such overseas 5.30% 4.63% Average ratio of 5 WPI Centers 4.40% California Institute of Technology 4.39% Harvard University institutions as Caltech, Harvard, and Stanford. ※ The percentage of papers from each institution that are ranked in the top 1% in terms of citations. 6.24% Rockefeller University Massachusetts Institute of Technology Stanford University University of California Berkeley Princeton University 4.14% 4.11% 4.00% University of Oxford 3.18% University of Cambridge 3.12% Max Planck Society 3.10% Figure created by MEXT based on the data provided by THOMSON REUTERS (Mar. 2014) According to a questionnaire on WPI centers taken by researchers around the world, 45-72% of them answered that they "know" the WPI center (the percentage differed by center). Most of them answered "interested in" or "want to work at" to a related question. Data analyzed and provided by Mitsubishi Research Institute, Inc. (Sep. 2011) ● Recognizing the effectiveness of the WPI reforms, the University of Tokyo established a new campus-wide organization, In 2015, Todai Institutes for Advanced Study (TODIAS) was renamed The University of Tokyo Institutes for Advanced Study (UTIAS) ● The National Institute for Materials Science (NIMS), Kyoto University and Osaka University are making overall institutional reforms using their WPI centers as a model. They entail the creation of systems to support overseas researchers, including the bilingualization of their administrative divisions. 05 Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University Creating new materials science using mathematics Materials enrich society. With mathematics, the common language of science, we will develop new materials science, and contribute to solving environmental and energy issues. Director Motoko Kotani Unlocking the Mystery of Glass Structure Many common substances have a glass structure 06 but why is their atomic structure so disordered and ■ Electron diffraction patterns of distorted icosahedron densely-packed? Experimental, theoretical, and Using AIMR’ s own Angstrom beam mathematical researchers at AIMR have connected electron diffraction method, we similarly distorted icosahedra to show the potenAssociate Professor Akihiko Hirata tial of materials with such structures. obtained patterns from sub-microscopic icosahedral structures in Zr80Pt20 metallic glass (right). Comparison with a molecular dynamics Using a state-of-the-art transmission electron microscope, we were the first to ever directly observe the local atomic structure of glass materials, finding simulation showed that the structure is a distorted icosahedron. the structure to be an extremely distorted icosahedron. Working with mathematicians, we adapted computational homology analysis to analyze glass structures and showed that their distinctive long-range disordered and densely-packed structure may be due to a structure of similarly distorted icosahedra being connected to each other. ■ Collaboration between experimental, theoretical, and mathematical researchers Experimental, theoretical, and mathematical A more detailed understanding of the structure of glass materials could contribute greatly to improving their properties and developing new materials. researchers collaborated to produce these unprecedented results. Professor Mingwei Chen / Professor Motoko Kotani / Associate Professor Akihiko Hirata Science, 2013 Observing Atoms to Control Material Functions Ceramics are materials that are used everywhere around us in our daily lives. They are polycrystalline bodies made from ■ Observation of the atomic structure of grain boundaries a collection of many crystals, and the boundary surface of two crystals (the grain boundary) has a large effect on the properties of the materials. Using AIMR’ s state-of-the-art tech- Atomic images from an ultrahigh-resolution STEM and supercomputer ab initio calculations show titanium and calcium nology for directly observing atoms, it is expected that impurities collecting on the crystal grain high-performance ceramics can be realized by completely boundary of magnesium oxide to form controlling the grain boundary. an entirely new 3D structure. Professor Yuichi Ikuhara / Associate Professor Zhongchang Wang / Assistant Professor Mitsuhiro Saito Nature, 2011 Analyzing the complex structures of materials using mathematics Developing cloth-like soft ceramics Nanoporous materials are promising materials for catalysts and capacitors, with complex 3D structures. We used mathematics (probability theory, graph theory) to analyze their characteristics and how this relates to functionality. We used supercritical hydrothermal synthesis to uniformly blend substances that usually don’ t mix, creating novel ceramic/macromolecule hybrids that are soft as cloth, but retain the benefits of ceramics like high thermal conductivity. Assistant Professor Daniel Packwood / Professor Mingwei Chen and Professor Naoki Asao / Associate Professor Takeshi Fujita and Associate Professor Tienan Jin Professor Tadafumi Adschiri / Assistant Professor Daisuke Hojo and Assistant Professor Nobuaki Aoki Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, The University of Tokyo Institutes for Advanced Study, The University of Tokyo What is the universe made of ? At Kavli IPMU, astronomers, physicists, and mathematicians work together to answer questions that have been posed since the dawn of humankind. Our findings may change how the world is viewed. Director Hitoshi Murayama Cosmic Illusion Revealed: Gravitational Lens Magnifies Supernova ' Our team, composed of astronomers, physicists, and a mathematician, worked ■ Superluminous SN? together to explain the nature of a mysterious astronomical object. And we were PS1-10afx, found in eventually able to test our hypothesis through astronomical observation. Kavli IPMU Project Researcher Robert Quimby 2010, was thought to is uniquely suited in the world to enable this discovery. Our achievement elevated be a new and bright- several team members, including myself, to international academic positions. est type of supernova by a Harvard-led (Associate Professor at San Diego State University and Director of Mt. Laguna Observatory since Sep. 2014) group. (Image courtesy：R. Chornock) Supernovae of Type Ia (SNIa) have strikingly similar peak luminosities regardless of where they happen in the universe. This property allows astronomers to use SNIa as standard candles to measure cosmological distance independent of the universe’ s expansion. ■ Magnification by gravitational lensing: However, in 2010, a supernova with the same color and light curve as a SNIa was found, but it was 30 times brighter than expected. Although this anomaly led some to conclude that it was a completely new and brightest type of supernova, a team from Kavli IPMU found a second explanation. If a massive galaxy was in front of the supernova, the galaxy could warp space-time to form magnified images of the supernova. In 2013, the team eventually discovered the foreground galaxy using the 10-meter Keck-I telescope. In the future, further findings of such gravitationally magnified supernovae will allow us to infer the expansion history of the universe. A massive object between us and a supernova can bend light rays as much as a glass lens focusing light. Principal Investigator Ken’ ichi Nomoto et al, Science, 2014 Theorem Unifies Superfluids and Other Weird Materials Dr. Yoichiro Nambu received the Nobel Prize in Physics for introducing a concept named "spontaneous symmetry breaking," which is a weird property ■ Spontaneous symmetry breaking of natural materials like magnets or crystals, into particle physics. However, yet Earlier theories by Nambu predicted a unified theory of these weird behaviors has eluded theoretical physicists. that magnetic spins oscillate in two Recently, Murayama and his colleague discovered a commonality among these materials. This commonality can be used to predict or even design new materials that will exhibit such unusual behaviors. directions independently. Consequently, two Nambu-Goldstone bosons should appear (upper figure). However, a unified theory shows that these two waves are This unified theorem can be applied equally to magnets, crystals, neutron stars and cosmic strings. not independent, resulting in a single Nambu-Goldstone boson that is a precession wave (lower figure). Director Hitoshi Murayama, Physical Review Letters, 2012 Giant Symmetry in String Compactification Modularity of Calabi-Yau 3-folds and Deligne Conjecture A large symmetry group called the Mathieu group M24 was discovered in compactification of extra dimensions in superstring theory. This relates two areas of mathematics, which were thought to be disconnected: mock modular forms and finite groups. This discovery is inspiring new developments in these areas. Numbers of two dimensional objects on Calabi-Yau 3-folds exhibit a good property called modularity. Toda proved a certain transformation formula of this property, while Abe proved the Deligne conjecture, which involves the modularity. The relationship between these two proofs is expected to produce further progress. Principal Investigator Hirosi Ooguri Associate Professor Yukinobu Toda / Assistant Professor Tomoyuki Abe 07 Institute for Integrated Cell-Material Sciences, Kyoto University Manipulating cells with materials Our institute seeks to illuminate a chemical basis of cells, creating compounds to control processes in cells, in addition to sparking cellular processes to create chemical materials. Director Susumu Kitagawa New Chemical Probe Helps Scientists to Sort Stem Cells Stem cell research may one day cure what are called“incurable”diseases. However, only a small number of patients can ■ Compounds illuminate cultivated cells used for regenerative medicine afford expensive treatment. To solve this problem, our group has been studying chemical compounds to develop safer and affordable options in regenerative medicine. Professor Motonari Uesugi All cells in the human body originate from hES cells, which can be coaxed with various protein or chemical cocktails, to transform into specialized forms. However, 08 transplanting a mixture of transformed cells along with so-called stem cell holdouts poses potentially dangerous health risks. Uesugi led a team of researchers to distinguish stem cell holdouts from those committed to transformation using green fluorescent chemicals. In initial experiments testing over 300 compounds, they found one -- called KP-1 -- that selectively stayed in induced pluripotent stem cells. The study, published in the journal Cell Reports, could be used to help scientists and doctors select cultivated cells used for regenerative medicine. KP-1 selectively stayed in induced pluripotent stem cells. The compound sticks to these cells more than others because they lack a family of membrane proteins. The scientists took advantage of this property to show that KP-1 was able to distinguish hES and induced pluripotent stem cells from human heart, blood, and liver cells. Hirata & Nakagawa et al. Cell Reports, 2014 Catching Greenhouse Gases with Advanced Membranes New technologies are sorely needed to incentivize greenhouse gas capture by industry. Sivaniah led an international team of researchers to create an advanced membrane capable of rapidly separating gases. The membrane, referred to as PIM-1, is twice as selective for carbon dioxide while allowing air to pass through it 100 times faster compared with commercially available polymers. Their find- ■ A polymer that can truly contribute to a sustainable environment PIM-1 is a highly permeable membrane. The orange balloon illustrates this point as a higher volume of nitrogen gas is able to pass through PIM-1 into the balloon compared ings, published in the Nature Communications, may one with the membrane, connected to day contribute to lower greenhouse gas emissions and the pink balloon. cleaner skies. Song & Cao et al. Nat Commun, 2014 Polymer boosts production of stem cells in three dimensions Researchers developed a polymer-based 3D culture system for mass producing human pluripotent stem cells for regenerative medicine and drug discovery. Otsuji & Bin et al. Stem Cell Reports, 2014 A simple and versatile way to build three-dimensional materials of the future Researchers have developed a technique, called "diffusion driven layer-by-layer assembly," to construct graphene into porous three-dimensional (3D) structures for applications in devices. Zou & Kim et al. Nat Commun, 2014 Immunology Frontier Research Center, Osaka University For overcoming immune diseases There are many people all over the world who are suffering from diseases related to the immune system, such as infectious diseases, allergies. Employing a wide variety of approaches, the researchers at IFReC are engaged in fundamental research aimed at surmounting these diseases. Director Shizuo Akira Understanding of Regulatory T cell for Immune Therapies The roles of Regulatory T cell in immune therapies Professor Shimon Sakaguchi We are studying the cellular and molecular basis of immunologic self tolerance and autoimmune diseases. In our researches, Regulatory T cell (Treg) is the most important immune cell, which regulates various kinds of inflammation and immune reaction. ■ How does Treg come into existence? T cell precursor Candidates for Treg Stimulation to T cell receptor Foxp3 expression whole picture of Treg. We believe our research results would bear fruit in the therapies for immune diseases including cancer and allergy in the future. Treg cells, yet its expression is insufficient for establishing the Treg development was achieved by two independent processes, i.e., the expression of Foxp3 and To avoid immune-mediated pathology, the immune system has regulation of immune suppression. We are now trying to clarify the essential for the development of Treg cell lineage. We showed that Treg type epigenetics Regulatory T cell (Treg) subsets of T cells, known as regulatory T cells, which are dedicated to The transcription factor Foxp3 is the establishment of Treg-specific epigenetic pattern. ■ The research was featured on the cover of Immunity journal The cover was designed by Dr. Naganari Ohkura 09 of IFReC. The design symbolizes that Regulatory T cell is characterized not only by the appearance From the study in Immunity journal, T cells would be exploited to gen- (black trimming) but also by epigenetic informa- erate functionally stable Treg cells for clinical use. tion in each cells (painting patterns). Ohkura et al. Immunity, 2012 Developments of Live Imaging System for Osteoimmunology and its Application -New approach in the treatment of bone diseasesHow the bone resorptive functions of osteoclasts are controlled in vivo remains less well characterized. Masaru Ishii ■ Dynamic visualization of osteoclast function. group has developed the live imaging system for osteoclasts The group visualized fluorescently labeled osteoclasts in studying, and observed osteoclasts and their precursors. mouse bone tissues using intravital multiphoton microscopy. They observed cells with distinct motility behaviors and The direct observations of bone tissues would lead to future function, with the relative proportion of static ‒ bone development of new type of drugs and medicines, further resorptive (left lower) to moving ‒ nonresorptive (upper therapeutic strategy for osteoporosis or bone tumor. right) varying in accordance with the pathophysiological conditions of the bone. Kikuta et al. J Clin Invest, 2013 Role of the immune cell in the metabolic syndrome Mechanism for immune regulation by the nervous system Akira group demonstrated that adipose tissue maintenance and suppression of metabolic disorders are controlled by the differentiation of tissue-resident M2-like macrophages for the first time in the world . Suzuki group revealed a molecular mechanism by which adrenergic nerves control lymphocyte dynamics in homeostatic and pathological conditions. This study implies how stress or emotional changes are reflected on immune functions through adrenergic nerves and provides a rationale for developing therapeutic strategies for immune disorders that control stress responses. Satoh et al. Nature, 2013 Nakai et al. J Exp Med, 2014 International Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science Innovation through a revolution in nanotechnology MANA is pioneering a revolutionary technological system called“nanoarchitectonics”as a new paradigm for nanotechnology that supports our lives. Director Masakazu Aono Oxide Nanosheets, a Solution to Future Nanoelectronics MANA discovered high-κ dielectric oxide ■ World’ s smallest, highest performance thin-film capacitor nanosheet, an important material platform Layer-by-layer engineering of oxide nanosheets enabled us to design functional for ultra-scale electronic devices and nanodevices that cannot be achieved in graphene and other materials. post-graphene technology. High-perfor- Nanosheet-based capacitors exhibited an unprecedented capacitance density, mance nanodevices can be made from Associate Principal Investigator Minoru Osada which was 1000 times higher than that of state-of-the art ceramic condensers. “nanosheet-architectonics”. Two-dimensional (2D) nanosheets with atomic or molecular thickness are emerging as important new materials owing to their fascinating physical properties. Recently, we found that titania- or perovskite-based nanosheets realize the highest permittivity (εr = 210∼320) of all known dielectrics in the ultrathin region (< 10 nm). We utilized high-κ oxide nanosheets as building blocks in the LEGO-like assembly, and successfully developed various functional nanodevices such as capacitors, memories, and transistors, opening a new route to ultra-scaled electronic devices. 10 Schematic illustration and TEM image of nanosheet-based capacitor. Advanced Materials, 2012 Atomic Switch“Synapse Device” MANA developed the world’ s first“synapse device”that autonomously reproduces the processes of remembering and forgetting like the human brain. ■ Atomic switch with synaptic operation When an electrical signal is This is realized by an“atomic switch”which forms a conductive path of metal atoms precipitating from a solid electrolyte depending on input frequency. This device is expected to contribute to a neuromorphic computer which operates without preprogramming. input, silver atoms precipitate from the electrode on the right, forming a bridge between the electrodes. Higher input frequency creates a thicker (more stable) bridge. Principal Investigator Tsuyoshi Hasegawa, Nature Materials, 2011 Toward artificial photosynthesis As a step toward artificial photosynthesis and elucidating the global carbon neutral cycle, we synthesized an Ag 3 PO 4 photocatalyst with approximately 90% quantum efficiency and a SrTiO3 photocatalyst that imitates the structure of cherry leaves, dramatically improving conversion efficiency. Principal Investigator Jinhua Ye Attacking cancers with nanofiber MANA developed a“smart polymer”nanofiber mesh that annihilates cancer cells by releasing heat and an anticancer drug when exposed to an AC magnetic field. The nanofiber is naturally discharged from the body and is expected to contribute to effective cancer therapy. MANA Scientist Mitsuhiro Ebara International Institute for Carbon-Neutral Energy Research, Kyushu University Grand highway for a Carbon-Neutral Energy Fueled World I2CNER’ s research aims to enable a hydrogen powered society and CO2 capture and storage, or the conversion of CO2 to a useful product. Director Petros Sofronis Hydrogenase S‒77 ̶ A New Frontier for Fuel Cells A hydrogen‒oxygen fuel cell is a promising device ■ S‒77 has 637 times higher mass activity than platinum that generates, with the formation of water (H2O) as a In this work, we have succeeded in the application of high waste product. Platinum is generally used as an elec- Professor Seiji Ogo ability derived from H 2 ase to polymer electrolyte fuel cell trode catalyst of the fuel cell. However, an alternative (PEFC). This achievement catalyst is necessary because platinum is scarce and will facilitate the devel- expensive. Hydrogenase (H2ase) is an enzyme that extracts electrons from hydrogen gas under ambient conditions. This enzyme was tested for application to a fuel cell electrode because it surpasses platinum with regard to hydrogen activation ability. However, opment of various hydrogenase electrodes and functional hydrogenase models. Electric power generated by a fuel cell with H2ase S‒77. the application of H2 ase to the fuel cell was not achieved due to its instability toward oxygen gas. Professor Seiji Ogo and his coworkers at Kyushu University have showed that H2ase S‒77, which was found by them in Mt. Aso, an active volcano on Kyushu ■ The image of finding of H2ase S‒77 from Mt. Aso It is selected for the cover picture of Angewandte Chemie International Edition (ACIE). Island, is stable toward oxygen gas and its hydrogen activation ability surpasses that of platinum as an anode catalyst of fuel cells. H2ase S‒77 has 637 times higher mass activity, 1.8 times higher current density, and 1.8 times higher power density than platinum. Angewandte Chemie International Edition, 2014 Enhancement of Platinum Mass Activity in Fuel Cell Electrocatalysts We successfully decreased the size of platinum nanoparticles (Pt-NP) loaded on carbon nanotubes (CNTs) by decreasing the feeding ratio of the platinum. By decreasing the size of Pt-NP, mass activity of Pt in the fuel cell was increased to around 8 times due to the increasing of surface area as well as the utilization efficiency of Pt-NP. This technique will lower the cost of the fuel cell. ■ Schematic drawing describing the preparation of the CNT/PyPBI/Pt composites. Since polybenzimidazole (PBI) wrapped on the surface of CNT offered effective sites for the growth of Pt-NP, the size of Pt-NP was finely controlled by just changing the feeding ratio of platinum salt. Professor Naotoshi Nakashima, Associate Professor Tsuyohiko Fujigaya Scientific Reports, 2014 Surface termination and subsurface restructuring of perovskite-based solid oxide electrode materials We study the outer atomic surfaces of a series of perovskite-based ceramics using low energy ion scattering spectroscopy. After high temperature treatment, segregated A-site cations dominate the outer surfaces with no B-site cations detected. Dr. John Druce, Dr. Helena Tellez-Lozano, Professor Tatsumi Ishihara, Professor John Kilner High-efficiency organic light-emitting diodes using fluorescent emitters We reported organic light-emitting diodes that convert nearly 100% of electrical charges into light through conventional fluorescence assisted by activated delayed fluorescence (TADF) materials, which convert the electrical energy into a usable form before passing it to the fluorescent emitter. Professor Chihaya Adachi 11 International Institute for Integrative Sleep Medicine, University of Tsukuba Healthy sleep to everyone in the world - solving the mystery of sleep While sleep is a universal phenomenon, the mechanism and function of sleep remain unknown. We aim to unravel the mystery of sleep/wake regulation to treat sleep disorders and associated diseases. Director Masashi Yanagisawa Prior Waking Experience Influences Sleepiness It has been believed that the longer we stay ■ Too excited to sleep ‒ how does the prior waking experience affect sleepiness? awake, the greater the sleep need from the brain, and sleepiness increases in a simple correlation with sleep demand. However, the detailed relationships between sleep need and Professor Robert Greene sleepiness, as well as how the prior waking behavior affects sleep, have been unknown. Our group conducted experiments on mice using two different methods of sleep deprivation to show that sleepiness (ease of falling asleep) and sleep need (ease of falling into a deep sleep) can be dissociated, and sleepiness can vary depending on various experiences during prior waking. By phosphoproteomics, we have identified separate proteins in the CNS each associated with sleepiness and sleep need. We deprived mice of sleep (1) by gently touching them when they tried Those findings will provide important insights into how the sleepiness is the mice stayed awake spontaneously (▲). While both groups to fall asleep (■), or (2) by periodically changing the environment so that regulated, one of the fundamental questions in today’ s neuroscience, as experienced similar degrees of sleep loss, the mice kept awake by their well as suggesting diagnostic and therapeutic means for sleep disorders spontaneous behavior were less sleepy and took significantly longer to such as insomnia. fall asleep. Having trouble falling asleep when the brain is so excited - our Principal investigators: Robert Greene, Masashi Yanagisawa PNAS, 2013 common experience is now scientifically explained. Why Coffee Wakes Us up? ― Discovery of a novel mechanism that promotes sleep The motivation to defy sleep and stay awake for a wide range of 12 life-style choices is often accompanied by the use of psychoactive substances, most prominently caffeine. We discovered that caffeine causes wakefulness through inhibiting the activity of adenosine, one of the most potent sleep-promoting neuromodulators, at adenosine A2A receptors (A2AR) in the nucleus accumbens ― a brain region traditionally associated with drug addiction and motivational behavior. The ■ Cutting-edge technologies to dive into the brain The latest technologies such as optogenetics and deep brain imaging allow us to investigate sleep homeodynamics of the A2AR in the nucleus accumbens are expected to become a new drug mesolimbic system, a target for the treatment of sleep disorders. novel brain circuit regulat- Associate Professor Michael Lazarus Current Opinion in Neurobiology, 2013 ing sleep and arousal. Development of drug candidates for sleep disorders What is REM sleep for? Elucidation of its physiological significance We have designed and synthesized the novel candidates for orexin receptor agonist, which show strong selective agonistic activities. Those compounds are highly soluble in water and easily penetrable to the blood-brain barrier, as well as significantly effective in elongation of arousal time. Those candidates offer promising prospects to become therapeutic drugs for sleep disorders, such as narcolepsy. We established transgenic mice in which REM sleep can either be increased or shut down at a desired time point. Such systems allowed us to elucidate the significance of REM sleep, leading to solve the long-standing mystery, why we dream. Professor Hiroshi Nagase Assistant Professor Yu Hayashi Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology Leading institute in exploring the Origins of Earth and Life We will clarify both unique and universal aspects of the Earth, from which life emerged and evolved. Director Kei Hirose Elucidate How Methane Formed under Early Seafloor Associate Professor Yuichiro Ueno How was our planet formed and how and where did life originate? ELSI places the origins of life study in the context of the specific ecological system of the early Earth. These fundamental questions to humankind are pursued in a multi-disciplinary collaborative effort that involves Earth, Planetary, and Life sciences. ■ Hakuba Happo Spring : a special place for the origin of life We have been analyzing the excavated components of the hot springs continuously. We have found that Hakuba Happo hot spring is high alkaline (pH11 or more), its hydrogen content very high, and with hydrocarbons as methane included in the water. This water quality Serpentinite is believed to be the most common and abundant rocks in the early Earth's seabed. By reacting to water, these rock generated a high concentration of hydrogen gas that was necessary for the synthesis holds close resemblance to what is created when serpentinite and water react. ■ Creation of Hadean Bioscience In the Hadean Earth, continents, oceans, and atmosphere interacted of energy and organic matter needed for life's origin. cyclically to create a diverse and dynamic environment of "Habitable Since 2010, we have been conducting a survey in a hot spring environ- Trinity" that supported the origination of life. ment with serpentinite. The results of our work have shown that, in Our group will work interdependently with Earth and Planetary sciences, contrast to conventional theory, the generation of hydrogen and meth- Life sciences, and organic chemistry to identify the environmental condi- ane also occurs at low temperatures of approximately 50℃. tions to narrow our research into where life may have originated on These results show that the early Earth which had abundant environ- Earth, and what the universal conditions were to initiate and sustain its evolution to complexity. ments similar to these serpentinite hot springs synthesized more hydro- We aim to develop the experiment and theory on the planet formation carbons, indicating the large supply of molecules needed for forming life. research, to understand the universal conditions for the origin of life in Professor Naohiro Yoshida, Shigenori Maruyama, Ken Kurokawa / Associate Professor Yuichiro Ueno Earth and Planetary Science Letters, 2014 the universe. Discovery of a large amount of hydrogen present in the Earth's core A Large Amount of Hydrogen in the Earth's Core The melting temperature of the Earth's mantle had been over-estimated because of the difficulty of determining the temperature under ultra-high pressure. A research group overcomed this difficulty by combining the diamond anvil cell device and CT imaging techniques. In establishing that the melting temperature is lower than what had been estimated, we discovered that there is a large amount of hydrogen present in the Earth's core. Professor Kei Hirose / Researcher Ryuichi Nomura Science, 2014 ■ Ultra-high pressure generation diamond anvil cell device By sandwiching the mantle substance between two diamonds and irradiating with laser under ultra-high pressure, the device can generate ultra-high temperatures. Hirose's group discovered post perovskite, a key mineral phase of the lowermost part of the Earth's mantle, determining the crystal structure of the iron in the environment of the Earth's core. Traces of Hadean Earth recorded on the Moon Strata from the Hadean period does not exist on the Earth. We have put forth a hypothesis that a part of the primitive oceans of the Hadean had been expelled into space from the heavy bombardment by meteorites and the chemical components of the primitive oceans can be found recorded on the lunar surface. We will attempt to verify our hypothesis by analyzing in detail the moon ‘s meteorite. Associate Professor Hidenori Genda Hayabusa 2: "Where did we come from?" Minerals and seawater which form the Earth as well as materials for life are believed to be left on the primordial small bodies such as C-type asteroids. We expect to clarify the origin and evolution of the solar system and life by analyzing its samples. And we aim to elucidate the role of asteroids in the delivery of water and organics to the Earth. Professor Masaki Fujimoto / Researcher Jun Kimura 13 Institute of Transformative Bio-Molecules, Nagoya University Synthetic chemistry meets animal/plant biology Molecules are essential to all life. ITbM will develop innovative bio-molecules through the dynamic collaboration between synthetic chemistry and animal/plant biology. Director Kenichiro Itami Synthetic Fermentation Makes Bio-Molecules Professor Jeffrey Bode “ITbM conducts high-quality research in a manner different from traditional labs. For example, synthetic chemists and animal/plant biologists work together in the same lab, making it possible for synthesized molecules to be subjected to biological assays with immediate feedback.” ■‘Culturing’molecules on plates A new strategy,“synthetic fermentation”can synthesize libraries of bioactive molecules, simply by mixing a few building blocks in water. Using a highly selective ligation reaction, molecules were generated in high efficiency in the absence of organisms, enzymes or reagents. In a demonstration, synthetic fermentation was used to generate about 6,000 unnatural peptide-like molecules from only 23 building blocks. From KAHA ligation enables highly efficient coupling between α-ketoacids (KA) and hydroxylamines (HA). The resulting cultures of bioactive this pool of molecules, a potent compound against the hepatitis C virus peptides can be directly screened in biological assays. This technique has was identified. Bode’ s approach is expected to be a powerful and practical potential to become a“do-it-yourself”method ‒ one that can be done by method to allow rapid generation and screening of active molecules useful anyone, anywhere ‒ to synthesize and evaluate millions of organic mole- for drug discovery as well as for simple biological assays on site. cules in a couple of hours. Professor Jeffrey Bode, Nature Chemistry, 2014 Plant Growth Enhanced Through Opening Pores Plants grow by photosynthesis and they play a key role in controlling the CO2 concentration in the atmosphere. Kinoshita and Wang have succeeded in developing a technique to increase photosynthesis and thus plant growth through the promotion of stomatal opening. This research is envisaged to contribute to the promotion of food production and towards the development of a sustainable low-carbon society. ■ Promoting stomatal opening induces photosynthesis Stomata are small pores located on the surfaces of leaves, which uptake CO2 essential for photosynthesis. A 25% increase in pore size was achieved through sophisticated control of the stomatal opening. This successfully resulted in a 15% and a 1.4-1.6 times increase in CO2 uptake (photosynthe- 14 Professor Toshinori Kinoshita / Assistant Professor Yin Wang Proceedings of the National Academy of Science USA, 2014 sis) and plant growth, respectively. Finding How Roosters ‘Cock-a-Doodle-Do’at Dawn Synthesis of a New Nanocarbon: Warped Nanographene From ancient times, the roosters’ ‘Cock-a-Doodle-Do’has been known to symbolize the break of dawn. Yoshimura has revealed for the first time in the world that roosters use their internal biological clock to recognize time and crow in the morning. Synthesis of the first non-planar warped nanographene has been achieved by Itami’ s unique palladium catalyst. This novel nanocarbon has potential to create tailor-made graphenes for optoelectronic and biomedical applications. Professor Takashi Yoshimura / Dr. Tsuyoshi Shimmura Director Professor Kenichiro Itami 世界トップレベル研究拠点プログラム （WPI） これまでの成果について 世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI） これまでの成果について “ 16 世界中の優秀な研究者が 「そこで研 我が国に構築する。 この目的を達成するために文部科学省が平成 19 年度に開始したのが 「世界トップレベル研究拠点プログラム（略称：WPI）」 です。 優れた頭脳獲得競争が世界的に激化してきている中で、 日本が科学技術の力で世界をリードしていくためには、 優秀な人材のグローバルな流動の「環」の中に位置付けられ、 世界中から人材が集まる開かれた研究拠点を作っていく必要があります。 本事業では、右記の 4 つを同時に達成することによって、 真に世界トップレベルの研究拠点を日本に構築することを目指しています。 W PI 採 択拠点 事業開始から10 年目を迎え、 各拠点からは、 これからご紹介するような研究成果が日々創出されています。 ■平成 19 年度採択 5 拠点 P.20 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 (AIMR） P.24 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクト二クス研究拠点（MANA） P.21 東京大学 国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU） P.22 京都大学 物質−細胞統合システム拠点（iCeMS） P.23 大阪大学 免疫学フロンティア研究センター（IFReC） 拠点長：小谷元子 拠点長：青野正和 拠点長：村山斉 拠点長：北川進 拠点長：審良静男 これまでの成果について ” 17 究したい」 と集う トップレベル拠点を Science 世界最高峰の研究水準 Reform 研究組織の改革 …これまで日本の機関では実現が 難しかった柔軟な組織運営の達成など Globalization 国際的な研究環境の実現 Fusion 同時達成により トップレベル拠点を構築 融合領域の創出 …英語の公用語化など 拠点構築に向けて求められる取組 中核となる研究者の物理的な集合 ■平成 22 年度採択 1 拠点 P.25 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I²CNER） 拠点長：ペトロス ソフロニス - トップレベルの主任研究者 10 ∼ 20 人以上 - 研究者のうち 30％以上は外国人 国際水準の運営と環境 - 拠点長の強力なリーダーシップ - 職務上使用する言語は英語を基本 - 研究者をサポートするスタッフ機能充実等 ■平成 24 年度採択 3 拠点 P.26 筑波大学 国際統合睡眠医科学研究機構 (IIIS） P.27 東京工業大学 地球生命研究所 (ELSI） P.28 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 (ITbM） 拠点長：柳沢正史 拠点長：廣瀬敬 拠点長：伊丹健一郎 国からの予算措置額と同程度以上の研究費等 のリソースの別途確保 支援の内容 支援期間 -10 ∼ 15 年 支援額 - 1 拠点あたり13 ∼ 14 億円程度 / 年 （平成 24 年度採択拠点は ∼ 7 億円程度 / 年） WPI では、世界最高水準の研究成果を日々生み出すことに加えて、 旧来の我が国の研究開発システムを改革し、 国際水準の優れた研究環境と運営を実現することも目的の一つにしています。 大学等のホスト機関への良い波及効果も生まれています。 まるで日本ではないグローバルな研究環境の実現 18 トップレベルの科学技術の世界では英語 が事実上の公用語であり、国籍に関係な く一流の研究者が集うためには、英語の 使用をはじめとする国際環境の整備が 前提となります。 WPI 拠点では、外国人研究者が 30％以上 おり、全研究者が under-one-roof （同じ 建物）で研究を行う等、異分野や異文化 との知的触発・切磋琢磨が日常的に行わ れる、これまでの日本にはなかった研究 環境が達成されています。 （参考）日本の大学における外国人教員の割合 4.0% （平成 26 年度学校基本調査） WPI は、我が国の研究機関の国際化の モデルケースであり、強力な推進力に なっています。 - 15 時になると、 マグカップを片手に研究者がカフェスペースに集まります。東京 大学Kavli IPMUの研究者全員が毎日参加する 「ティータイム」 の始まりです。 - 周囲にはホワイトボードや黒板が並び、和やかな談笑はいつの間にか数式や図 をともなう喧々諤々の議論になっています。 このため以下のような措置を達成してきています。 - 研究者をサポートする事務部門においてもバイリンガル職員を配置 - 来日した外国人研究者の家族を含めた、生活の立ち上げの支援 - 研究機材の調達や研究費の申請など外国人研究者の研究活動の支援 - 研究機関内の案内板や食堂メニューなどの生活環境の英語化 研究機関の改革を先導 WPI 拠点がホスト機関内に構築され、その改革が有効との認識が 浸透することにより、WPI と同様の取組が広がる。 WPI はこのような 改革の先導者になっています。 新たな取組の実例 「目に見える拠点」を目指して 世界の人材獲得競争に参入。世界から 「見える」存在に。 中国の急成長などにより、 「知の大競争」は世界中で激化しており、特に、優れた頭脳（研究者）の獲得競争は グローバルマーケットで行われる熾烈なものになっています。 日本の研究機関の採用はこれまで言語環境などの理由から、ともすれば国際的に閉鎖的と思われがちでし たが、WPI 拠点は、日本の研究拠点としては初めて全て英語使用の公募プロセスを採り入れ、世界の人材 獲得競争に参入しました。 加えて、 これまで難しかった研究者の能力・実績に応じた給与等の処遇を可能にしました。 多くの優れた研究成果 の発表や、各拠点による積極的なアウトリーチ活動を通じて、WPI 拠点の国際知名度は向上しており、実際に、 ハーバード大学、MIT など海外トップ機関から公募で研究者が集まるようになってきています。 トップ 1％論文の輩出割合 論文の質の高さを示す指標の一つであるトップ 1％ ロックフェラー大学 論文輩出割合（※） において、WPI5 拠点の平均値は WPI 5 拠点の平均値 世界トップの研究機関であるカリフォルニア工科大 カリフォルニア工科大学 学、ハーバード大学、スタンフォード大学などを上 回っています。 ※拠点から出た論文のうち、他の研究者が論文で引用する被引 用数が多い上位 1％の「質の高い」論文の割合のことです。 6.24% マサチューセッツ工科大学 5.30% 4.63% 4.40% 4.39% ハーバード大学 スタンフォード大学 カリフォルニア大学バークレー校 プリンストン大学 4.14% 4.11% 4.00% オックスフォード大学 3.18% ケンブリッジ大学 3.12% マックスプランク協会 3.10% 〈 トムソンロイター社のデータ （2014 年 3 月時点） を基に文部科学省作成 〉 全世界の研究者が対象のアンケートによると、拠点間の差はあるものの 45∼72％の研究者が WPI 拠点を「知っている」 と回答 しました。 そのうちの多くが、 「興味がある」 「その拠点で働きたい」 と答えています。 〈三菱総合研究所調べ（2011 年 9 月時点）〉 ● 東京大学では WPI が先導した改革が有効との認識の下、国際高等研究所（TODIAS ※2015 年に UTIAS へ改称） という新たな全学的組織を設立（Kavli IPMU が認定 1 号） ● 物質・材料研究機構や京都大学、大阪大学等では事務部門のバイリンガル化などの外国人研究者を支援する体 制の構築など、研究機関全体で WPI 拠点をモデルとした改革が進捗 19 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 数学との連携による新しい材料科学の創出 材料は豊かな社会をつくる基盤となります。私たちは科学・技術の共通言語である数学を活用して 洞察力のある新しい材料科学を確立し、環境・エネルギー問題の解決に貢献したいと考えています。 拠点長 小谷 元子 ガラスに関する半世紀来の謎を、 材料科学と数学の融合研究で解決 スク、電池など様々ありますが、なぜ原子が不規則で密な ■ 歪んだ 20 面体局所構造から 得られた電子回折パターン 構造を持つのかこれまでよく分かっていませんでした。 我々が開発したオングストロームビーム ガラス構造を持つ物質は、窓ガラス、光ファイバー、光ディ 20 AIMR では、実験・理論・数学分野の研究者が相互に連 携し、歪み方の似ている 20 面体がつながることで、不規 准教授 平田 秋彦 則で密な構造を持っている可能性を示しました。 電子線回折法を用いて、ジルコニウム と白金の金属ガラス（Zr80Pt20）中の極微 小領域から、20 面体構造に関する情報 （電子回折パターン）を取得することに 成功しました（右図）。この結果を分子 私たちは、最先端の透過型電子顕微鏡を用いて、ガラス物質の局所構造の直接観 察に世界で初めて成功し、その形が非常に歪んだ 20 面体であることを解明しま した。 また数学者との連携により、ガラス構造の解析に数学的手法であるホモロ ジー解析を適応し、歪み方の似ている 20 面体がつながることで、ガラス構造に特 徴的な不規則で密な構造をとっている可能性を提示しました。 ガラス物質は、窓ガラス、光ファイバー、電池に使われるなど、我々の生活になくて はならない材料です。今後は、構造をより詳細に解明することで、ガラス材料の性質 動力学シミュレーションにより得られた 回析パターンと比較することで、その構 造が歪んだ 20 面体であることを明らか にしました。 ■ 実験・理論・数学の連携がもたらした成果 今回の研究では、実験・ 理 論・数 学 分 野 の 研 究 者 が 相 互 に 連 携し、こ れまでにない成果を得る 向上や新規材料の開発に向けて大きく貢献することが期待されます。 ことができました。 教授 陳 明偉 ／ 教授 小谷 元子 ／ 准教授 平田 秋彦 （2013 年 7 月に米「Science」誌に論文発表） 原子を直接見て材料の機能を制御 セラミックスは身の回りのあちこちで使われている材料で すが、たくさんの結晶が集まってできている多結晶体であり、 ■ 粒界の原子構造観察 ２つの結晶粒子の境界面（粒界）が材料の特性に大きく 超高分解能走査透過電子顕微鏡を用いた原子像と スーパーコンピュータ一を用いた第一原理計算結果 影響します。AIMR の最先端原子直視観察技術によって を組み合わせることで、セラミックス （酸化マグネシ 粒界を完全に制御した高機能セラミックスが実現できる ウム）の結晶粒界に、チタンやカルシウムなどの と期待されます。 不純物が集まって全く新しい三次元構造が形成さ れることを発見しました。 教授 幾原 雄一 ／ 准教授 Zhongchang Wang ／ 助教 斎藤 光浩 （2011 年 11 月に英「Nature」誌に論文発表） 数学によって材料の複雑な構造を解析 布のようなソフトセラミックスを開発 触媒やキャパシタの材料として有望なナノ 高温高圧の超臨界水熱合成法を用いると、普通 ポーラス（多孔質）材料は複雑な３次元構 は混ざり合わないものを均一に混ぜることができ セラミックスと高分子を複合させ、布のよう 造をもちますが、数学の解析法（確率理論、 ます。 グラフ理論） を駆使して特徴を抽出し、さら に柔らかく、かつセラミックスの長所（高熱伝導性 に機能との関係を解明しています。 など） をもった新材料の合成に成功しています。 助教 Daniel Packwood 教授 Mingwei Chen / 浅尾 直樹 准教授 藤田 武志 / Tienan Jin 教授 阿尻 雅文 助教 北條 大介 / 青木 宣明 東京大学 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構 宇宙は何で出来ているのか？ 私たちは、誰もが知りたいと願う人類共通の謎に挑んでいます。遠くない未来に、ここ Kavli IPMU から 世界をひっくり返すような大発見が生まれることを目指し、 日夜研究に励んでいます。 拠点長 村山 斉 超新星を30 倍明るく見せた虫メガネ銀河を発見 ■ 新種？の超新星 宇宙の彼方に見つかった新しい現象を物理学者と数学者がその仕組みを解明、そ して天文学者がこの理論が正しいことを観測で証明するという、世界でも Kavli 2010 年 に 見 つ かっ IPMU でしか生み出せない研究成果です。私を含め、研究チームのメンバーの多 特任研究員 ロバート クインビー た超新星 PS1-10afx くは、この成果を携えて Kavli IPMU から世界各地へ飛び出し、さらなる大発見を は、約 90億光年の彼 目指して活躍しています。 方にあるのに非常に 明るく見えることから、 （2014 年 9 月よりサンディエゴ州立大学准教授・ラグナ山天文台長） 発見当初は新種の超 高輝度超新星かと考えられました。 夜空に輝く星々には、一生を超新星爆発とよばれる大爆発で終わるものがあります。様々なタイプの超新星 ( 画像提供：R. Chornock) のうち Ia 型は、宇宙のどこで起こっても、 よく揃った明るさで輝くという特徴があり、宇宙の加速膨張の発見に ■ 重力レンズによる 増光メカニズムの模式図 も重要な役割を果たしました。 2010 年、色や明るさの変化パターンは Ia 型そのものなのに、通常の Ia 型より 30 倍も明るい超新星が見つ かり、 新種の超高輝度超新星の発見かと騒がれましたが、 Kavli IPMU の研究チームは、 たまたま視線上にあっ た別の銀河の重力が虫メガネのように働き、通常の Ia 型超新星の光が集められた可能性を指摘しました。 2013 年、同チームは望遠鏡で観測を行って虫メガネの働きをする銀河を発見し、この説が正しいことを証明 しました。 超新星と地球との間にある銀河の重力が、巨 今後、 このような重力の効果で明るくなった宇宙の超遠方の銀河や超新星が次々と見つかり、 宇宙の初期の研 す。 究がさらに進むと期待されます。 大な虫メガネの様に光を集めたと考えられま 主任研究員 野本 憲一 他（2014 年 4 月に米「Science」誌に論文発表） 自発的対称性の破れの統一理論 ─ 南部理論の 50 年来の謎を解明 ─ 南部陽一郎博士は、磁石や結晶など自然界で見られる「自発的対称性 ■ 自発的対称性の破れによる波の発生 の破れ」を素粒子物理学に取り入れ、後のヒッグス粒子提唱のきっかけ 向きをそろえて並べた磁石で、ひとつの磁石を傾けると、 ともなり、ノーベル賞に輝きました。 しかし、南部理論はそのまま身の 同じ動きが次々と伝わり、波ができます。 この振る舞い 回りの現象に適用できず、例外も多く知られていました。 も自発的対称性の破れで説明できますが、南部理論 では、左右と前後の二つの波が現れ（上図）、実際には 今回、南部理論を拡張した、例外をすべて統一的に扱える理論を提案し、 対称性の破れから生まれる波を正確に予言できるようになりました。 将来 一つの波しかない、 という事実と異なります。 的には量子デバイス、電子のスピンを利用した新技術（スピントロニ 今回拡張した理論を適用すると、傾きはぐるぐる回り、 左右と前後の波は区別がなくなります（下図）。 この クス） などへの応用も期待できます。 ことから、一種類の波しかないことが分かります。 拠点長 村山 斉 （2012 年 6 月に米「Physical Review Letters」誌に論文発表） 超弦理論のコンパクト化に巨大な対称性を発見 粒子を 10 次元の 「ひも （弦） 」 の振動と考える超弦理論で、 ３次元カラビヤウ多様体の保型性とドリーニュ予想 超弦理論のコンパクト化でも重要なカラビヤウ多様体。 縦横高さと時間以外の余剰次元を丸め込む「コンパクト 戸田氏は３次元カラビヤウ多様体の中に含まれる２次元 化」の際、マシュー群 M24 と呼ばれる巨大な対称性が 図形を数える時の「保型性」に関する変換公式を証明し、 現れることを発見しました。この理論物理学の発見は、 世界数学者会議に招待されました。 この性質は阿部氏が モック・モジュラー形式と有限群という全く異なる数学の 行ったフィールズ賞受賞者ドリーニュの予想の証明にも 分野の間の深い関係を示し、数学と物理学との新しい 関わり、両者の組み合わせからさらなる研究成果が期待 発展を促しています。 されます。 主任研究員 大栗 博司 特任准教授 戸田 幸伸 / 特任助教 阿部 知行 21 京都大学 物質ー細胞統合システム拠点 物質科学と細胞科学の統合へ 細胞の化学原理を理解し、幹細胞をはじめとする細胞の機能を操作する化学物質や、 細胞機能に触発された機能材料を創製し、産業・医学・創薬分野への新たな貢献をします。 拠点長 北川 進 ヒト多能性幹細胞を光らせる化合物を発見 幹細胞の研究によって、これまで治せなかった病気を治せるように ■ 安全な再生医療の実現に向けて なることが期待されます。ただし、現状ではそのような治療は高価 で、恩恵にあずかる人は限られます。化合物を用いることで、細胞 治療の安全性を高めつつコストを下げることを狙って研究を続けて きました。 教授 上杉 志成 ヒト多能性幹細胞 （ES 細胞や iPS 細胞） は、 さまざまな細胞や組織に分化できる能力を持ち、 再生医療技術への応用が期待されています。 しかし、 未分化の幹細胞が残ったまま体の中に 22 移植するとガン化するといった問題点もあり、 ヒト多能性幹細胞を使った再生医療の実現の ためには、未分化の幹細胞と分化細胞とを明確に区別しなければなりません。 そこで我々 は、 未分化の幹細胞と分化細胞を簡便に見分ける方法を求めていました。 326 個の蛍光化合物をスクリーニングした結果、 ヒト幹細胞中では強く蛍光するが、 分化細 胞中では蛍光が弱い化合物を見つけ出しました。 この成果により、安全性の高い再生医療 の実現が期待されます。 蛍光小分子（KP-1）を用いて部分的に分化したヒト iPS 細胞のコ ロニーを染色したものです。KP-1 は未分化の幹細胞で特異的に 蛍光発光するため、コロニー中央の蛍光発光していない部分が 分化をはじめた細胞であり、外側のドーナツ状に強く蛍光してい る部分が未分化の幹細胞であることが分かります。これにより、 未分化の幹細胞と分化細胞を見分けることが可能になりました。 （2014 年 3 月 「Cell Reports」誌に論文発表） 排ガスを膜でキャッチ：空気洗浄技術、実用化に期待 近年、温暖化の原因となる二酸化炭素排出量が問題となって おり、効率的な CO2 の分離回収技術の開発が喫緊の課題と ■ 安価で耐久性の高い高性能分離膜 なっています。 これに対しシバニア准教授らは、 マイクロポー PIM1 を透過したガスの風船（左） は、 ラスポリマー（PIM） と呼ばれる材料に特殊な熱処理を施し 従来の膜（右） に比べてガス透過分離 架橋構造を形成することで、世界最高性能のガス分離膜材料 を作成することに成功しました。 速度が圧倒的に速く、大きく膨らん でいることがわかります。このガス 分離膜（TOX-PIM1） は、従来用いら このガス分離膜材料は、従来の膜に比べ 1000 分の 1 にまで 二酸化炭素捕捉コストを削減できるため、環境・エネルギー・ 生命科学などへの様々な応用が期待されます。 れているガス分離ポリマー膜に比べ て、ガス透過速度が約 100倍、ガス 選 択 分 離 度 も約 2 倍という極 めて 優れた性能を示しました。 シバニアグループ（2014 年 9 月 「Nature Communications」誌に論文発表） ヒト多能性幹細胞（ES/iPS 細胞）の 形状と細孔サイズを自在に変える 新たな三次元培養法を開発 炭素材料を開発 ２種類の機能性ポリマーを用いて、 ヒト多能性幹 ３次元多孔性グラフェンシートの簡便なつくり方 細胞（ES/iPS 細胞）の大量培養技術における新 を開発しました。多孔性グラフェンナノシートの たな三次元培養法を開発しました。 ヒト ES/iPS 優れた電気特性、柔軟性や機械的強度を有して 細胞を用いた再生医療や創薬活用の実用化と いることから、バッテリー、燃料電池、キャパシ 産業化に大きく貢献することが期待されます。 ターなどへの応用が期待されます。 中辻グループ（2014 年 4 月「Stem Cell Reports」誌に論文発表） キムグループ（2014 年 10 月「Nature Communications」誌に論文発表） 大阪大学 免疫学フロンティア研究センター 人類の免疫病の克服に向けて 感染症・アレルギー・ガンなど人類の歴史は免疫病との戦いの歴史でもあります。 私たちは身体の持つ防御システム 「免疫」 をさまざまな角度から深く研究し、 免疫病の克服に挑んでいます。 拠点長 審良 静男 免疫疾患の治療につながる制御性 T 細胞の研究 制御性 T 細胞をいかにして理解し、 ■ 制御性 T 細胞が誕生するための条件とは？ 免疫病の治療につなげるか？ T 細胞の前駆細胞 私たちは、免疫の働きの強さを左右する制御性 T 細胞を深く理解すること、リウマチなどの自己 教授 坂口 志文 制御性 T 細胞の候補 免疫疾患やガンなどの治療にいかにして役立て エピジェネティクス条件 必要な遺伝子の発現 正常な免疫系は自己と非自己を見分け、自己を攻撃しない能力（免疫寛容） 今回私たちは、制御性 T 細胞が生まれるためには、どの遺伝子がどう働くこ れつきの遺伝条件だけでなく、このエピジェネティクスな条件のもとで、はじ めて制御性 T 細胞が誕生するのです。 こうした制御性 T 細胞の発生・機能のコントロールは、さまざまな免疫疾患 の治療に応用する可能性を秘めています。 刺激によるエピジェネティク とを利用して、制御性 T 細 胞を強化したり弱体化した りするコントロール、ひいて 制御性 T 細胞の誕生 を備えています。この免疫寛容で大事な働きをするのが、制御性 T 細胞です。 とが必要かという後天的要因（エピジェネティクス情報） を発見しました。生ま 情報だけでなく、外部からの スな条件が必要です。 このこ 外部からの刺激 るかを研究しています。 制御性 T 細胞の誕生には、 もともと存在する遺伝子の は免疫病の治療が可能にな るかもしれません。 ■ 本研究は、 Immunity 誌の表紙として 採用されました。 この表紙デザインは、IFReC の大倉永也博士の作 品です。制御性 T 細胞は外見（四角形周囲の線描） では判断できず、内面の情報すなわちエピゲノム （ペインティングパターン）によって同定できること を表したものです。 （2012 年 11 月 「Immunity」誌に論文発表） 世界初 破骨細胞が骨を壊す様子のライブイメージングに成功 ─ 関節リウマチや骨粗鬆症などの新しい治療法開発に光 ─ 生きたままで骨の内部を観察することにより、骨を壊す細胞 （破骨細胞）が実際に骨を壊す様子を、世界で初めてリアルタ イムで可視化することに成功しました。 この可視化により、 「骨 ■ 骨表面に取りつき骨を壊している 破骨細胞のライブイメージング 表面に貼りつき骨を壊している破骨細胞」と、「骨表面を動き 実際の動画では、左下の細胞が骨に密着して動きが少なく骨を壊 回るだけの破骨細胞」の同定に成功しました。 「破骨細胞の骨 しているのに対し、右上の細胞は骨表面上を移動しているだけで 破壊機能」を指標とした新しいコンセプトの治療薬が、骨粗 鬆症の克服に大きく貢献できることが期待されます。 骨を壊していないことが確認できました。 こうしたイメージングに よって、各細胞の細かい動き・形・機能の変化を追うことができ、 骨を壊している細胞の働きを弱める薬の開発も進んでいます。 教授 石井 優（2013 年 2 月 「J Clin Invest」 誌に論文発表） メタボリックシンドロームの原因 となる免疫細胞の役割を解明 ”病は気から ”の根拠を実験的に証明 交感神経から分泌される神経伝達物質ノルアドレナリ M2 マクロファージという免疫細胞が働か ンが、 β2 アドレナリン受容体を介して免疫細胞を制御 ないマウスでは、脂質代謝の異常やそれに する仕組みを分子レベルで解明し、このメカニズムが炎 起因してメタボリックシンドロームが発症 症性疾患の病態にも関わることを突き止めました。 古 する事を世界で初めて証明しました。動脈 来から ”病は気から ” と言われるように、神経系が免疫 硬化などの治療法開発へと道を拓きます。 機能の調節に関わっていることが明らかになったので 拠点長／教授 審良 静男 (2013 年 3 月「Nature」誌に論文発表 ) す。 准教授 鈴木 一博 (2014 年 11 月「J Exp Med」誌に論文発表） 23 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 ナノテクの革新でイノベーションを 我々の生活を変えつつあるナノテクノロジーに新パラダイムを拓きかつ応用を促すため 「ナノアーキテクトニクス」 と名付ける新材料開発の新しい技術体系をつくっています。 拠点長 青野 正和 超高性能電子デバイス実現への新たな一歩：酸化物ナノシート 近年の電子機器の小型化・高機能化の流れの中で、次世代のナノ 電子デバイスに適用可能な新しい高誘電体材料の開発が急務となっ ■ 世界最小、最高性能の薄膜コンデンサ コンデンサは、電荷を蓄える機能を持った電子部品で、スマー ています。MANA では、分子レベルの薄さの高誘電体ナノシートを トフォン、パソコンなどあらゆる電子機器の心臓部で活躍し 発見し、溶液プロセスを使って積木細工のように重ねることで世界最 ています。近年の電子機器の小型化、高機能化に伴い、高性 高性能の誘電体素子の開発に成功しました。 能の薄膜コンデンサの開発が重要となっています。しかし、 従来の微粒子加工や薄膜技術に基づくトップダウン手法で 准主任研究者 長田 実 は、コンデンサのさらなる小型化、高性能化は技術的な限界 に達していました。MANA では、誘電体層としてナノシート グラフェンの報告以降、分子レベルの薄さの２次元ナノ物質（ナノシート）をベースとした電子 デバイスの開発やグラフェンを凌駕する機能の開拓を目指そうとする研究が注目されています。 MANA では、電子機能の宝庫である酸化物に着目し、新しいナノシートの開発とその応用を進め （Ca2Nb3O10）を採用し、ナノシートを 1 層ずつ積木細工する ボトムアップ型プロセスにより、現行のコンデンサの 50 分の １の膜厚（10nm） で、1000 倍の容量（∼100μF/ cm2）を 持つ高性能コンデンサ素子の開発に成功しました。 ています。 こうした研究を通じて、酸化チタンなどのありふれた酸化物をナノシート化することで、 従来の材料、技術では実現できなかった厚さ 1∼2nmでも機能し、最高の誘電率を有するナノ シートを発見しました。 さらにこの酸化物ナノシートを、ナノサイズでの積木細工のように様々な順番で積み重ねること で、 世界最小で最高性能のコンデンサ、 メモリ、 トランジスタの開発に成功しました。 私達の作った 素子が、 スマートフォンやパソコンに使われることを夢見て、 日夜ナノシートと格闘しています。 24 図： ナノシートを用いた コンデンサの模式図 と TEM 画像 (2012 年 1 月 「Advanced Materials」等に論文発表 ) 原子スイッチで実現：記憶も忘却もする新しい “シナプス素子” イオンが固体内部を行きつ戻りつしながら表面に析出して伝導経路を形成 する 「原子スイッチ」 により、脳の神経活動の特徴である 「必要な情報の記憶」 ■ シナプス動作をする原子スイッチ と「不要な情報の忘却」を自律的に再現する“ シナプス素子 ”の開発に世界 電気信号の入力があると右 で初めて成功しました。 側の電極から銀原子が析出 電気信号を頻繁に入力するとイオンが効率的に析出して安定な伝導経路が 作られるのに対し、低い入力頻度では伝導経路が時間とともに消滅してしま います。 この動作は脳内におけるシナプスの結合強度の変化とよく一致して おり、新しい脳型回路の開発に寄与すると期待されています。 して、電極間にブリッジ（伝 導経路）を形成します。信 号の入力頻度が高ければ、 太くて安 定なブリッジが 完 成します。 主任研究者 長谷川 剛（2011 年 6 月 「Nature Materials」誌に論文発表） 人工光合成実現に貢献する光触媒材料 ガンを攻撃するナノファイバーメッシュ 光 合 成 における水 酸 化 反 応 の 光 触 媒として約 外部刺激に応答して性質を変化させるように分子 90% もの量子効率を持つ Ag3PO4 材料を開発し レベルで設計したスマートポリマーを応用し、ガ ました。また、サクラの葉の多階層構造を模倣し ン細胞を死滅させる不織布を開発しました。これ た SrTiO3 光触媒を合成し変換効率を各段に向上 は交流磁場をかけると発熱して抗ガン剤を放出し、 させました。人工光合成の実現や自然界の炭素循 やがて体外へ排出されるという布で、侵襲性の低 環の解明に大きく貢献することが期待されます。 い効果的なガン治療への貢献が期待されます。 主任研究者 葉 金花 MANA 研究者 荏原 充宏 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 低炭素社会の実現を目指して 地球環境を守るために、国内外トップレベルの研究者と連携し、炭酸ガスを発生しない水素利用等の 新エネルギーの研究と炭酸ガスの発生を低減するための研究に取り組んでいます。 拠点長 ペトロス ソフロニス 燃料電池の白金電極を超える水素酵素 「S-77」 電極の開発に成功 クリーンな次世代発電デバイスとして期待されている ■「S-77」電極は白金電極の 637 倍の活性 水素‒酸素燃料電池の電極触媒には、高価かつ枯渇 自 然 界 は 豊 富 に 存 在している 性の白金が使用されており、その代替触媒の開発が 待たれています。 自然界では、水素酵素 （ヒドロゲナー ゼ）が常温常圧の温和な条件で水素から電子を取り出 教授 小江 誠司 しており、その能力は白金をはるかに超えることが 知られています。そのため、燃料電池の電極触媒と してもヒドロゲナーゼの利用が期待されてきました ニッケルと鉄の組み合せで白金 を超える優れた触媒を創り出し ています。本研究による成功によ り、今後様々なヒドロゲナーゼを アノード触媒とした研究および機 能モデルの研究が大きく促進さ れることが期待されます。 が、ヒドロゲナーゼが酸素により失活するため燃料電 写真はヒドロゲナーゼ S‒77 を 池への応用はこれまで達成されていませんでした。 アノードに用いた燃料電池による 私たちは、阿蘇山の過酷な環境下で生息しているヒドロゲナーゼ S‒77 を見出 しました。 この酵素は酸素に安定であり、燃料電池のアノード触媒として白金を はるかに超えることを示しました。 ヒドロゲナーゼ S‒77 は白金に比べて、質量 活性で 637 倍、電流密度で 1.8 倍、電力密度で 1.8 倍の能力を持っています。 本研究では、酸素耐性ヒドロゲナーゼの固体高分子形燃料電池（PEFC）のア ノード触媒への応用に世界で初めて成功しました。 発電の様子です。 ■ 本研究は 「Angewandte Chemie International Edition」の 表紙に採用されました 新しいヒドロゲナーゼ S-77 を阿蘇山 から発見したときの様子を表現したも のです。 （2014 年 6 月に「Angewandte Chemie International Edition」 オンライン版に論文発表） 固体高分子形燃料電池の白金使用量削減に成功 25 白金の粒径と担持密度 （固定化した白金ナノ粒子 の固体表面上における密度）を低減することで 有効比表面積を増加させる戦略で、燃料電池セル ■ 白金粒径と密度の低減による 白金表面有効活用 に用いる白金使用量をこれまでの 10 分の 1 に 電極となるカーボンナノチューブをポリベンズ 削減することに成功しました。 この技術は、燃料 イミダゾール（PBI）という樹脂でコーティング 電池車のコスト削減に大きく貢献すると期待され ます。 教授 中嶋 直敏 / 准教授 藤ヶ谷 剛彦 （2014 年 9 月に「Scientific Reports」 オンライン版に論文発表） しておくと、付着（担持）させる白金粒子サイ ズが白金原料割合を減らすだけで、より小さく できることが分かりました。白金粒子サイズを 小さくできると貴重な白金が有効に使えます。 燃料電池用空気極触媒の 表面構造の解明に初めて成功 蛍光分子から100％の EL発光効率を実現する 新発光機構による有機 EL 素子の開発に成功 固体酸化物燃料電池（SOFC）の空気極と 熱活性化遅延蛍光（TADF）材料をアシストドーパント して広く使用されているペロブスカイト型 として発光層にドーピングすることにより、蛍光分子か 空気極触媒の表面及びサブ表面の組成変 らの EL 発光効率を究極の100% まで向上させる有機 化の解析に成功しました。 EL 素子の開発に成功しました。 学術研究員 John Druce / Helena Tellez 教授 石原 達己 / John Kilner 教授 安達 千波矢 筑波大学 国際統合睡眠医科学研究機構 世界中の人びとに健やかな眠りを― 睡眠の謎に挑む ― 睡眠は普遍的な現象でありながら、その実態がほとんどわかっていません。私たちは、睡眠・覚醒の 制御機構の解明と、睡眠障害や関連疾患の診断・治療のための新しい戦略開発を目指しています。 拠点長 柳沢 正史 眠る直前の行動が眠気を左右する 眠気を制御するメカニズム解明への道を拓く 覚醒時間が長くなると脳が必要とする睡眠の要求 ■ 興奮して眠れない ‒ 覚醒時の行動は眠気にどう影響するのか 量が増え、それに相関して単純に眠気も増すと 考えられてきました。しかしこれらの関係性や、 睡眠前の覚醒時の行動が睡眠へどのように影響す るのかはこれまで詳しく知られていませんでした。 教授 ロバート グリーン 私たちは異なる二つの方法で睡眠を妨げたマウスを用いた実験により、眠気 （眠りへの落ちやすさ）と睡眠デマンド（深い眠りへの入りやすさ）は必ずしも 相関せずそれぞれ独立に制御されていること、また眠気は起きている間の 様々な経験により変動することを、初めて科学的に実証しました。 さらに、リン 酸化プロテオーム解析により、眠気と睡眠デマンドそれぞれに、別々に連関 する中枢神経系のタンパク質を同定することに成功しました。 これらの発見は、眠気の調節がこれまで考えられていたよりも複雑であるこ とを示しており、眠気がどのように制御されているのかという神経科学分野 の根本的な問いに対する答えに繋がるとともに、不眠症などの睡眠障害の 診断・治療法開発に向けて重要な示唆を与えることが期待されます。 本研究では、① 眠ろうとするマウスに穏やかに触れて睡眠を邪魔する（上図■）、 ② マウスを定期的に新しい環境に移し自発的に覚醒させる（上図▲）、という 二つの方法で、通常マウスが眠くなる時間帯に断眠させました。どちらのグルー プも同程度の睡眠不足に陥りましたが、眠りに落ちるまでの時間は、自発的に 覚醒させたマウスの方が長くなりました。「脳が興奮した状態のままだと目が冴 主任研究者 柳沢 正史 ロバート グリーン （2013 年 6 月に「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」誌に論文発表） えてなかなか眠れない」という我々の経験則を科学的に裏付ける結果です。 コーヒーを飲むとなぜ目が覚めるのか？ 睡眠を促進する新たな機構を解明 26 眠くても起きていなければならないような状況では、向精神効果 のある物質、たとえばカフェインを摂取すると、眠気を抑えること ができます。私たちは、薬物依存や意思決定を司る脳の領域で ■ 最新のテクノロジーで 脳に切り込む ある側坐核において、カフェインが睡眠を促進する神経調節物 オプトジェネティクスや脳深部イメージ 質アデノシンとその受容体（A2AR）の結合活性を阻害することで、 ングなどの最新の技術を用いると、中脳 覚醒を引き起こすことを明らかにしました。A 2AR は睡眠障害治 療の新たな創薬ターゲットとして期待されます。 辺縁系における睡眠のホメオダイナミク ス、すなわち睡眠・覚醒を制御する脳神 経回路を詳細に調べることができます。 准教授 ミハエル ラザルス （2013 年 10 月に米「Current Opinion in Neurobiology」誌に論文発表） 睡眠障害治療薬候補化合物の開発 我々は、強力な作用活性を有するオレキシン レム睡眠は何のためにあるのか？ その生理的意義を探る 受容体選択的作動薬の創製に成功しました。 我々は、役割が分かっていないレム睡眠を任意のタイ これらの化合物は水溶性と血液脳関門透過性 ミングで遮断または増加できるモデルマウスを確立 に優れており、顕著な覚醒時間の延長効果を しました。 レム睡眠の意義の解明に繋がる成果であ 示していることから、ナルコレプシーなどの り、将来的には、 「私たちはなぜ夢を見るのか？」 とい 睡眠障害の治療薬として非常に有望です。 う長年の謎の解明にも繋がるものと期待されます。 教授 長瀬 博 助教 林 悠 東京工業大学 地球生命研究所 「生命惑星学」 の国際研究拠点を目指す 人類の根源的な謎「地球と生命の起源」 を解明するために、生命が生まれた初期地球の環境に着目し、 地球惑星科学や生命科学など多角的なアプローチで迫ります。 拠点長 廣瀬 敬 高水素濃度の特殊な温泉に含まれるメタンの起源を解明 ■ 白馬八方温泉は生命の起源の聖地 生命はいつどこで誕生したのでしょうか。 地球生命研究所（ELSI）では「地球の起源」 と 「生命 の起源」をひとつの研究環境で密接に連携させ、 「生命が生まれた初期地球の環境をもとに地球・ 掘削温泉の成分分析を継続的に行ってきま した。白馬八方温泉は、強アルカリ性（pH11 以上） で、水素含有率が非常に高く、生命のもと となるメタンなどの炭化水素が含まれることが 生命の起源を解明する」 ことを目指しています。 わかりました。 この水質は、蛇紋岩に水が反応 准教授 上野 雄一郎 してできる水質と酷似しています。 地球誕生直後の海底で最もありふれた岩石だったと考えられる蛇紋岩（じゃ ■ 冥王代生命学の創成 もんがん）。 この岩石は、水と反応することで高濃度の水素ガスを生成し、 冥 王 代 の 地 球では 、大 陸 、海 生命誕生に必要なエネルギーと有機物の合成を促したとされています。 洋 、 大気の三要素が循環的に 相互作用し、生命誕生の場と 2010 年から我々は、蛇紋岩を含むある温泉環境で調査を行ってきました。 なる極めて多様で動的な環境 その結果、蛇紋岩温泉での水素・メタンの生成は、従来の説とは異なり、 「Habitable Trinity」が 作 り 約 50℃の低い温度でも起こることが示されました。 出されました。 生命誕生場のモデル「Habitable Trinity」を中核的な作業仮説とし、 地球惑星科学、生命科学および有機化学を基盤とする相互依存的研究からのフィー この研究結果は、蛇紋岩温泉と同様な環境が豊富にあった生命誕生前の地 球上では、より多くの炭化水素が合成され、生命を形作る分子を大量に供給 したことを示しています。今後、温泉に含まれる様々な有機物をさらに分析 することで、生命の起源の研究が進展すると期待できます。 ドバックにより、原始生命誕生において必須となる環境条件を特定し、生命誕生場は 冥王代地球のどこで実現したのか？それに必要な普遍的条件とは何か？といった 問いに答える 「冥王代生命学」の確立を目指します。 さらに、最新の惑星形成の理論 研究と実験研究を進め、宇宙における生命誕生の普遍的条件を明らかにし、冥王代 生命学を拡張した「惑星生命学」の基礎の構築を目指します。 教授 吉田 尚弘、丸山 茂徳、黒川 顕／准教授 上野 雄一郎 （2014 年 1 月に欧州の科学誌「Earth and Planetary Science Letters」 に論文発表） 平成 26 年度新学術領域研究（研究領域提案型） 「冥王代の創成」 （代表：教授 黒川 顕） 地球コアに多くの水素が存在∼誕生時に大量の水∼ 地球のマントルの融解温度は、これまで高めに予想されていま した。超高圧下での温度決定が技術的に困難だったためです。 ■ 超高圧発生用ダイヤモンドアンビル装置 ELSI の研究グループは、ダイヤモンドアンビル装置と高解像度 マントル物質を 2 つのダイヤモンドで挟み、超高圧下でレーザーを マイクロトモグラフィー（CT）撮像技術を組み合わせることにより 困難を打破しました。融解温度が従来の推定値より低いことを 確かめ、地球コアに大量の水素が存在することを突き止めました。 照射することにより超高温を発生させる装置。ELSI 廣瀬所長らの 研究グループはこの装置を使って、マントル最下部層の主要鉱物ポ ストペロフスカイト相の発見、地球中心環境における鉄の結晶構造 の決定など、高圧地球科学分野で大きな成果を挙げてきました。 教授 廣瀬 敬／研究員 野村 龍一（2014 年 1 月に米「Science」誌に論文発表） 冥王代地球の情報が月に記録されている 「我々はどこから来たか」に迫る、はやぶさ２ 地球上には冥王代の地層は存在しませんが、 地球本体や海、生命を作った様々な材料物 冥王代の原始海洋の一部が隕石重爆撃により 質が残されている始原天体（C 型小惑星）を 宇宙空間に飛び散り、原始海洋に溶けていた 探査しそのサンプルを分析することで、太陽 化学成分が月表面に記録されていると仮説を 系形成史を読み解き、地球への水や有機物 立てました。月隕石を詳細に分析することに の供給に小惑星が果たした役割を解明する よって仮説の検証を試みます。 糸口を得ることを目指します。 准教授 玄田 英典 教授 藤本 正樹 ／ 研究員 木村 淳 27 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 動植物が分子で変わる 分子はとても小さいが、私たちの生命活動に欠かせない存在です。私たちは、世界屈指の合成化学と 動植物科学の融合によって、動植物の次世代システム生命科学を拓く鍵分子を合成します。 拠点長 伊丹 健一郎 多種の活性物質を一斉に合成する 「合成発酵」 を開発 ITbM では、従来の研究室の壁を越え、異分野の研 ■ 有用な分子をプレートで一斉に 「培養」 する 究者が一緒に研究できる環境を整えています。合成 化学者、動植物学者が隣り同士で研究を行うこと で、合成した化合物の生物活性が素早くフィード バックされるため、研究が迅速に進んでいます。 教授 ジェフリー ボーディー 微生物は、発酵によって一度に多くの化合物を作り出し、その中から目的に 応じた分子を使い分けることができます。私たちは、自然界に学んだ「合成 発酵」 という概念を提案し、有用な有機分子を迅速に合成する方法の確立に 成功しました。 多くの有機合成反応では、有機分子同士をつなぐための試薬添加および反応 後の精製が必要ですが、私たちが開発した KAHA ライゲーション反応では KAHA ライゲーション反応では、ケト酸 (KA) とヒドロキシルアミン (HA) を混 合するだけで、ペプチドやタンパク質の骨格を形成しているアミド結合ができま 試薬を一切使用することなく、化合物を合成できます。 す。合成発酵は、有用なペプチド類や有機分子群を多く作り出す非常に簡便な 今回の方法では、23 種類の化合物を順次加えることで、約 6000 種類のペ どで有用な物質を迅速に合成できる汎用的な手法になると期待されます。 方法です。新しい医薬品の創出に貢献するとともに、将来的には学校や農家な プチド類を合成し、その中から C 型肝炎ウィルスの増殖を制御するタンパク 質に対して活性を示す化合物を見出すことに成功しました。 教授 ジェフリー ボーディー （2014 年 9 月に英「Nature Chemistry」誌に論文発表） 気孔の開口を大きくし、植物の生産量の増加に成功 植物は、光合成を行うことにより成長し、私たちに農 作物を提供するだけでなく、CO2 の吸収によって、地球 ■ 気孔を開口し、 光合成が促進される 環境を整えています。 本研究は、植物にある気孔の開口 植物の光合成に必要な CO2 の取り込み口と を大きくし、CO2 吸収量を増やして、生産量を上げるこ なっているのが、植物の表面に存在する気孔で とを可能にしました。 この技術を用いることで、農作物 やバイオ燃料用植物の生産量増加や、植物を利用した CO2 削減への応用が期待されます。 す。 これまで気孔の開口を制御する事例はあり ませんでしたが、今回気孔の開口を約 25％大 きくすることに初めて成功しました。その結果、 植物の CO2 吸収量（光合成量）が約 15% 向 上し、生産量を 1.4-1.6 倍増加することが明ら 28 教授 木下 俊則 ／ 特任助教 ワン イン （2014 年 1 月に米「PNAS USA」誌に論文発表） かになりました。 鶏の「コケコッコ−」が体内時計によって 制御されていることを解明 「うねる」炭素ナノ分子 「ワープド・ナノグラフェン」の世界初の合成 鶏が「コケコッコー」と鳴くことは紀元前から 独自のパラジウム触媒を用いて、世界初の 知られていましたが、この行動の要因は謎に 「うねる」炭素ナノ分子「ワープド・ナノグラ 包まれていました。今回、鶏が自身の体内時 フェン」の合成に成功しました。 その独特の 計によって夜明け前に朝を予知して鳴き始め 構造と物性から、太陽電池やバイオイメージ ることが世界で初めて明らかになりました。 ングなどへの応用が期待される分子です。 教授 吉村 崇 ／ 新村 毅 拠点長 伊丹 健一郎 INFORMATION Tohoku University Advanced Institute for Materials Research (AIMR) 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 (AIMR ／エーアイエムアール ) 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8577, Japan Phone : +81 22 217 5922 Fax : +81 22 217 5129 Email : [email protected] URL : www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp research.wpi-aimr.tohoku.ac.jp 〒980-8577 仙台市青葉区片平 2-1-1 Phone : 022-217-5922 Fax : 022-217-5129 Email : [email protected] URL : www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp research.wpi-aimr.tohoku.ac.jp The University of Tokyo Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe The University of Tokyo Institutes for Advanced Study (Kavli IPMU) 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan Phone : +81 4 7136 4940 Fax : +81 4 7136 4941 Email : [email protected] URL : www.ipmu.jp Kyoto University Institute for Integrated Cell-Material Sciences （iCeMS） Yoshida Ushinomiya-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8501, Japan Phone : +81 75 753 9753 Fax : +81 75 753 9759 Email : [email protected] URL : www.icems.kyoto-u.ac.jp Osaka University Immunology Frontier Research Center （IFReC） 3-1 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan Phone : +81 6 6879 4275 Fax : +81 6 6879 4272 Email : ifrec-offi[email protected] URL : www.ifrec.osaka-u.ac.jp National Insitute for Materials Science International Center for Materials Nanoarchitectonics （MANA） 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305-0044, Japan Phone : +81 29 860 4709 Fax : +81 29 860 4706 Email : [email protected] URL : www.nims.go.jp/mana/ Kyushu University International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I²CNER) 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka 819-0395, Japan Phone : +81 92 802 6932 Fax : +81 92 802 6939 Email : wpi-offi[email protected] URL : i2cner.kyushu-u.ac.jp University of Tsukuba International Institute for Integrative Sleep Medicine (IIIS) 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8575, Japan Phone : +81 29 853 5857 Fax : +81 29 853 3782 Email : [email protected] URL : wpi-iiis.tsukuba.ac.jp Tokyo Institute of Technology Earth-Life Science Institute (ELSI) 2-12-1-IE-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8550, Japan Phone : +81 3 5734 3414 Fax : +81 3 5734 3416 Email : [email protected] URL : www.elsi.jp twitter.com/PR_ELSI Nagoya University Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8601, Japan Phone : +81 52 789 3363 Fax : +81 52 789 3240 Email : offi[email protected] URL : www.itbm.nagoya-u.ac.jp 東京大学 国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 （Kavli IPMU ／カブリアイピーエムユー） 〒277-8583 千葉県柏市柏の葉 5-1-5 Phone : 04-7136-4940 Fax : 04-7136-4941 Email : [email protected] URL : www.ipmu.jp/ja 京都大学 物質−細胞統合システム拠点 （iCeMS ／アイセムス） 〒606-8501 京都市左京区吉田牛ノ宮町 Phone : 075-753-9753 Fax : 075-753-9759 Email : [email protected] URL : www.icems.kyoto-u.ac.jp 大阪大学 免疫学フロンティア研究センター （IFReC ／アイフレック） 〒565-0871 大阪府吹田市山田丘 3-1 Phone : 06-6879-4275 Fax : 06-6879-4272 Email : ifrec-offi[email protected] URL : www.ifrec.osaka-u.ac.jp 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 （MANA ／マナ） 〒305-0044 茨城県つくば市並木 1-1 Phone : 029-860-4709 Fax : 029-860-4706 Email : [email protected] URL : www.nims.go.jp/mana/jp/ 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 （I²CNER ／アイスナー） 〒819-0395 福岡市西区元岡 744 Phone : 092-802-6932 Fax : 092-802-6939 Email : wpi-offi[email protected] URL : i2cner.kyushu-u.ac.jp 筑波大学 国際統合睡眠医科学研究機構 （IIIS ／トリプルアイエス） 〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1 Phone : 029-853-5857 Fax : 029-853-3782 Email : [email protected] URL : wpi-iiis.tsukuba.ac.jp/japanese 東京工業大学 地球生命研究所 （ELSI ／エルシー） 〒152-8550 東京都目黒区大岡山 2-12-1-IE-1 Phone : 03-5734-3414 Fax : 03-5734-3416 Email : [email protected] URL : www.elsi.jp twitter.com/PR_ELSI 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所 （ITbM ／アイティービーエム） 〒464-8601 名古屋市千種区不老町 Phone : 052-789-3363 Fax : 052-789-3240 Email : offi[email protected] URL : www.itbm.nagoya-u.ac.jp © Japan Society for the Promotion of Science. All Rights Reserved. Contact MEXT Basic Research Promotion Division, Research Promotion Bureau Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology 3-2-2 Kasumigaseki, Chiyoda-ku, Tokyo 100-8959, Japan Phone : +81 3 5253 4111 (ext.4244) Fax : +81 3 6734 4074 Email : [email protected] URL : www.mext.go.jp/english/research_promotion/1303822.htm 文部科学省 研究振興局基礎研究振興課 〒100-8959 東京都千代田区霞が関 3-2-2 Phone : 03-5253-4111（内線 :4244） Fax : 03-6734-4074 Email : [email protected] URL : www.mext.go.jp/a_menu/kagaku/toplevel JSPS University-Industry Cooperation and Research Program Division Japan Society for the Promotion of Science 5-3-1 Kojimachi, Chiyoda-ku, Tokyo 102-0083, Japan Phone : +81 3 3263 0967 Fax : Email : [email protected] URL : www.jsps.go.jp/wpi +81 3 3263 1716 独立行政法人日本学術振興会 研究事業部研究事業課 世界トップレベル研究拠点プログラム担当 〒102-0083 東京都千代田区麹町 5-3-1 Phone : 03-3263-0967 Fax : Email : [email protected] URL : www.jsps.go.jp/wpi 03-3263-1716 2016 年 5 月発行 第 5 版