• 現実の生命現象や社会現象の特性を科学的に議論するための研究の展開の礎となるような数理的・理論的研究のための数理モデリング、数理モデル解析を行っています。現象についてどのような理論的課題を取り上げるか、問題をいかに数理モデルとして構成するか、構成された数理モデルに関してどのような数理的解析を行なうか、数理的解析結果をいかに生命科学的・社会科学的議論として取り上げるか、ということが重要な観点となります。

以下のような社会実装への応用が想定されます。・現実の生命現象や社会現象に対する理論的なアプローチを要する施策策定やアセスメント・環境評価に係る基礎理論の適用、または、データの視覚化に伴って必要となるスケルトンモデルの構築など

• 健康長寿社会の実現をめざし、個人が多様で複雑な社会の中で、脳と心の健康を維持・向上させ、発達・加齢の各段階で健やか、且つ、穏やかな心を保つことを可能とする様々な技術開発を、脳機能イメージング研究、認知科学、心理学などの基礎研究の知識と技術を応用して行います。健康な社会生活を送っている人たちが、より幸せな人生を歩むことができることを目的としていることが最大の特徴です。

生活の質向上、認知機能維持・向上、ストレス軽減、コミュニケーションスキル向上などを可能とするシステム開発を目指すため、医療・福祉、教育、情報・通信、生活に関する製造業全般との産学連携を想定しています。

生命にとって重要な構成物質であるタンパク質は細胞情報伝達や生体内触媒反応など様々な役割を果たします。タンパク質立体構造はそうした機能と深く相関しており機能発現の際にどのような構造変化を起こすのか興味が持たれています。当研究室ではNanoTerasuの放射光やX線自由電子レーザー等の量子ビームを用いて、タンパク質の中で起こっている化学反応や構造変化を高い時間・空間分解能で可視化する技術を開発します。

従来の方法ではナノスケールのタンパク質がフェムト秒～ミリ秒といった高速で動く様子を原子レベルで捉えることは困難でした。

• このシーズは以下の特徴を持ちます。
• ・タンパク質の構造変化や反応を高い時間・空間分解能で可視化します。
• ・動的構造解析を基に新たな分子設計が期待されます。
• ・微結晶にX 線自由電子レーザーを照射し、得られるX 線回折像からタンパク質構造解析を行う手法である「シリアルフェムト秒結晶構造解析」があります。これによりフェムト秒X 線レーザーにより放射線損傷が顕在化する前に回折像の取得が可能です。

放射光やX 線自由電子レーザー等の量子ビームを用い、タンパク質の中で実際に起こっている化学反応や構造変化を高い時間・空間分解能で可視化する技術を開発し、得られた動的構造を基に新たな分子の設計を目指します。

• 遺伝子発現プロファイルを計測する手法は多様にありますが、遺伝子の発現を制御する転写因子の活性を定量評価する技術は不足しています。我々は生体組織内細胞や培養細胞が発現する複数の内在転写因子の転写活性を直接定量評価する技術を開発しました。本技術を用いることにより病態や生理活動に関連して生体組織内細胞の状態がどのように変化するのか解析することができます。

本技術を使用し、ヒト培養細胞や実験動物の生体組織内の多数の転写因子活性を効率的に計測することで、転写因子活性を標的とした創薬や、ドラッグデリバリーシステムの探索、医薬品の薬効、副作用スクリーニングなどへの活用が期待できます。

生体組織を構成する細胞は間質と呼ばれる組織に包まれており、細胞の動態は間質内の流動・輸送現象に伴う刺激により変化する。しかし、間質内の微小環境に応じた細胞動態については不明な点が多く、疾患の治療・予防の限界の原因となっている。局所的な培養環境を能動的かつ即時的に制御しながら細胞観察を行うことは困難であり、近年盛んに研究が進んでいるマイクロ流体デバイスを用いた手法においても、培養環境制御は十分ではなかった。このような背景の下、間質内の環境因子として酸素濃度・pH・間質流に着目し、それらの場を素早くかつ厳密に制御しながら、個々の細胞の即時的な応答と細胞間の相互作用のリアルタイム観察を可能にする「間質機能チップ」を開発した。

培養環境を制御しながら細胞動態の経時的観察を行うために、顕微鏡上に設置して細胞周囲の環境を制御するステージインキュベーターなどが用いられてきたが、局所的な培養環境の変化を能動的かつ即時的に制御することは非常に困難であった。また、マイクロ流体デバイスやorgan-on-a-chipを用いることで、微小環境を制御しながら細胞動態を観察する方法が近年盛んに研究されているが、培養環境制御の観点では十分ではない。本チップは、細胞実験に適用することで、厳密かつ迅速な環境制御の下で細胞動態の観察を実現する。

• 間質機能チップ内には細胞培養用の流路を配置し、それらの鉛直上方に複数のガス流路を配置した。酸素と二酸化炭素濃度を調整した混合ガスをガス流路に供給することで、ガス交換により細胞培養用の流路内の酸素濃度とpHの制御を実現した。既存の化学反応を利用する方法に対して細胞毒性がなく、酸素濃度とpHを自在に制御することが可能になった。また、細胞培養用の流路をハイドロゲルで満たし、その出入口に培養液の水頭差を与えることで間質流の制御も可能である。開発したチップ内で細胞を培養し、酸素濃度・pH・間質流を制御しながら細胞動態を観察することで、それら環境因子に対する細胞の応答特性を解明することができる。

がん微小環境や炎症性微小環境などに特徴的な低酸素・低pH環境を再現した上で、薬剤の効果を事前評価し、効果的な薬剤の選定と容量の決定に利用できる。また、基礎医学や生物学的な研究において、培養環境の厳密制御下の細胞観察を行う実験システムを提供する。

• 生体分子の生理機能を真に理解するには、生体分子間相互作用が保持された「生きた状態」で解析することが必要です。そのために、有機合成化学および蛋白質科学を駆使した機能性プローブ開発を通した研究を行っています。特に、①局在型蛍光プローブを用いたオルガネラ内の分子・イオン濃度の定量イメージング技術、②細胞内蛋白質や集合体を光で精密制御する技術、③刺激応答性の細胞内クリック反応技術、などを独自に開発しています。これらのプローブ技術はこれまで国内外の生命科学研究者に供与され、現在も多数の共同研究が進行中です。

生きた細胞内局所のイメージング技術および蛋白質機能制御技術は基礎生物学研究のみならず、疾患機構解明や創薬スクリーニングへの応用も期待できます。また、刺激応答性細胞内クリック反応は、新規のドラッグデリバリーシステムへの応用が可能です。これらに関連した企業との連携・共同研究を希望します。

• 生体に関する様々な運動を非接触かつ非侵襲的に計測することが可能な生体用モーションキャプチャシステムの開発を行っています。口腔内など遮蔽された空間でも利用可能な磁気式システムでは、最新の磁気工学技術によるLC 共振型磁気マーカを利用し、外部からの磁場印加によるシステムのワイヤレス化を実現しました。さらに光学式システムでは小型軽量の赤外線反射マーカを利用し、250ヘルツにて50箇所までリアルタイムでの同期的計測が可能なシステムの開発に成功しています。

本システムでは生体に関する様々な動作解析が可能で、非接触かつ非侵襲的な動作解析を必要とする診断・医療機器などへの応用が可能です。条件に合わせてシステムを特化することもできるので、本システムを活用したい企業や団体との共同研究を希望します。